ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DE CHIMBORAZOFACULTAD DE CIENCIASESCUELA DE INGENIERA QUMICADISEO Y CONSTRUCCIN DE UN REACTOR CONTINUO DE MEZCLACOMPLETA"Previo a la obtencin del Ttulo de:INGENIERO QUMICOMNICA DE LOS NGELES BAYAS MANZANOCRISTIAN FERNANDO NEZ AGUAGALLORIOBAMBA - ECUADOR2011

NDICE DE CONTENIDOPpPORTADANDICE DE CONTENIDONDICE DE TABLASNDICE DE FIGURASNDICE DE ANEXOSRESUMEN..iSUMMARY...iiINTRODUCCIN........iiiANTECEDENTES........ivJUSTIFICACIN..vOBJETIVOS.viMARCO TERICO1.1.REACTORES QUMICOS2333358991.1.1. REACTOR QUMICO1.1.2. FUNCIONES DE UN REACTOR QUMICO1.1.3. REACTORES IDEALES1.1.4. TIPOS DE PROCESO1.1.5. TIPOS DE REACTORES QUMICOS1.1.6. ELECCIN DEL REACTOR1.1.7. DISEO DE REACTORES

1.2.REACTOR DE MEZCLA COMPLETA101.2.1. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UN REACTOR DE MEZCLACOMPLETA1.2.2. USOS EN LA INDUSTRIA12121.2.3. MODELO MATEMTICO DE REACTOR DE MEZCLA COMPLETA 131.2.4. TIEMPO DE PERMANENCIA Y TIEMPO ESPACIAL PARASISTEMAS FLUYENTES1.2.5. RELACIN DE LA CONDUCTIVIDAD CON LA CONCENTRACINDE UNA REACCIN QUMICA1.3.AGITACIN18212222232425262728171.3.1. PROPSITOS DE LA AGITACIN1.3.2. TANQUES AGITADOS1.3.3. IMPULSORES1.3.4. HLICES1.3.5. TURBINAS1.3.6. DISEO ESTNDAR DE TURBINA1.3.7. VELOCIDAD DE CIRCULACIN1.3.8. CONSUMO DE POTENCIA1.4.CONFORMACIN DEL REACTOR TIPO TANQUE AGITADOCONTINUO1.4.1. CMARA DE CALEFACCIN3030

1.4.2. CMARA DE EBULLICIN1.4.3. TIPOLOGA DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN REACTOR1.4.4. DIFERENCIA DE LA TEMPERATURA MEDIA LOGARTMICA1.4.5. TRANSFERENCIA DE CALOR EN TANQUES AGITADOS1.5.DIMENSIONAMIENTO DE LA BOMBA PARA LA CONSTRUCCINDEL REACTOR1.5.1. ELECCIN DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIN DE LASBOMBAS1.5.2. ECUACIONES PRINCIPALES PARA EL DIMENSIONAMIENTO DELA BOMBA1.6.ROTMETROS30313133343637394141444444451.6.1. VENTAJAS1.6.2. DESVENTAJAS2.2.1.PARTE EXPERIMETALMTODOS2.1.1. DEDUCTIVO2.1.2. EXPERIMENTAL2.3.TCNICA UTILIZADA PARA LA DEMOSTRACIN DELFUNCIONAMIENTO DE UN REACTOR CONTINUO DE MEZCLACOMPLETA45

2.3.1. DETERMINACIN DE LA CONSTANTE CINTICA PARA UNAREACCIN DE SAPONIFICACIN EN UN REACTOR DE MEZCLACOMPLETA2.4.2.5.PREPARACIN DE LA SOLUCIONESDETERMINACIN DE LAS PROPIEDADES FSICAS DE LASSOLUCIONES DE HIDRXIDO DE SODIO Y ACETATO DE ETILO 502.6.DATOS EXPERIMENTALES52525346482.6.1. PRUEBAS PRELIMINARES2.7.3.DATOS ADICIONALESDISEO Y CONSTRUCCIN DEL REACTOR DE MEZCLACOMPLETA3.1.CLCULO PARA EL DISEO DEL REACTOR5555555656563.1.1. CLCULO DEL VOLUMEN DEL CILINDRO DEL REACTOR3.1.2. CLCULO DEL VOLUMEN DEL REACTOR3.1.3. CLCULO DEL DIMETRO DE LA CMARA DE CALEFACCIN3.1.4. CLCULO DE LA ALTURA DE LA CMARA DE CALEFACCIN3.1.5. CLCULO DEL VOLUMEN DEL CILINDRO DE LA CMARA DECALEFACCIN3.1.6. CLCULO DEL VOLUMEN DE LA CMARA DE CALEFACCIN3.2.CLCULOS PARA EL SISTEMA DE AGITACIN575757573.2.1. CLCULO DEL DIMETRO DEL RODETE

3.2.2. CLCULO DE LA ALTURA DEL RODETE3.2.3. CLCULO DEL ANCHO DE LOS DEFLECTORES3.2.4. CLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LAS PALETAS3.2.5. CLCULO DE LA POTENCIA PARA ACCIONAR EL RODETE3.3.3.4.CLCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALORCLCULO DE LA DIFERENCIA DE LA TEMPERATURA MEDIALOGARTMICA3.5.3.6.3.7.CLCULO DEL FLUJO DE CALORCLCULO DEL REA DE TRANSFERENCIA DE CALORDIMENSIONAMIENTO SISTEMA DE BOMBEO58585859626465656666666767676868686969703.7.1. VELOCIDAD3.7.2. NMERO DE REYNOLDS3.7.3. CLCULO DE FACTOR DE FRICCIN FANNING3.7.4. PRDIDAS POR FRICCIN3.7.5. PRDIDAS POR ACCESORIOS3.7.6. PRDIDAS DE ENERGA3.7.7. ECUACIN DE BERNOULLI3.7.8. FLUJO MSICO3.7.9. POTENCIA3.8.BALANCE DE MASA Y ENERGA3.8.1. BALANCE DE MASA

3.8.2. BALANCE DE ENERGA3.9.RESULTADOS778182838484848486868782863.9.1. DIMENSIONAMIENTO DEL REACTOR3.10. ANLISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOS3.11. REQUERIMIENTOS PRESUPUESTARIO3.11.1. RECURSOS HUMANOS3.11.2. RECURSOS MATERIALES3.11.3. RECURSOS TOTALES4.4.1.4.2.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESCONCLUSIONESRECOMENDACIONESBIBLIOGRAFAANEXOS

NDICE DE TABLASTABLA1.1.4-1. COMPARACIN ENTRE PROCESOS DISCONTINUOS YCONTINUOS1.1.4-2. DISTRIBUCIN DE PROCESOS CONTINUOS Y DISCONTINUOSEN DIVERSOS SECTORES INDUSTRIALES1.1.5-1. COMPARACIN DE DIFERENTES TIPOS DE REACTORES1.2.6-1. EJEMPLOS DE ENSAYOS REALIZADOS EN REACTORES DEMEZCLA COMPLETA2.4-1.PREPARACIN DE LAS SOLUCIONES DE HIDRXIDO DESODIO A DIVERSAS CONCENTRACIONES PARA REALIZARLA CURVA DE CALIBRACIN2.4-2.PREPARACIN DE LOS REACTIVOS (HIDRXIDO DE SODIOY ACETATO DE ETILO)2.5-1.2.5-2.2.7-1.DETERMINACIN DE LA DENSIDAD DE LOS REACTIVOSDETERMINACIN DE LA VISCOSIDAD DE LOS REACTIVOSDATOS ADICIONALES DE LA CAPACIDAD CALORFICA DELLOS REACTIVOS Y PRODUCTOS UTILIZADOS EN LAPRCTICA2.7-2.DATOS ADICIONALES PARA LA DETERMINACIN DE LATRANSFERENCIA DE CALOR3.9-1.3.9-2.ANLISIS FSICOS DEL HIDRXIDO DE SODIO (0.1 M)ANLISIS FSICOS DEL ACETATO DE ETILO (0.1 M)507575504647484518675Pp

3.9-3.CONDUCTIVIDADES A LAS DIFERENTES CONCENTRACIONESDEL HIDRXIDO DE SODIO753.9-4.CONDICIONES INICILES DE OPERACIN DEL SISTEMA PARACADA CORRIENTE DE ENTRADA753.9-5.RESULTADOS FINALES DE LA CONVERSIN Y LA CONSTANTEDE VELOCIDAD DE LA REACCIN EN FUNCIN DELHIDRXIDO DE SODIO76767878783.9.1-1. DIMENSIONAMIENTO DEL REACTOR3.11.1-1. RECURSOS HUMANOS3.11.2-1. RECURSOS MATERIALES3.11.3-1. RECURSOS TOTALES

NDICE DE FIGURASFIGURA1.1.3-1.1.2-1.1.2.3-1.TIPOS DE REACTORES IDEALESREACTOR DE MEZCLA COMPLETANOMENCLATURA UTILIZADA EN EL REACTOR DE MEZCLACOMPLETA1.3.2-1.1.3.3-1.1.3.6-1.1.3.7-1.1.4.4-1.TANQUE TPICO DEL PROCESO CON AGITACIN1222Pp310AGITADORES PARA LQUIDOS DE VISCOSIDAD MODERADA 23DIMENSIONAMIENTO DE UNA TURBINA TPICA25TUBOS DE ASPIRACIN EN UN TANQUE CON DEFLECTORES 26DISTRIBUCIN DE TEMPERATURAS EN UNINTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBO30323865671.5-1.1.6-1.3.8-1.3.8.1-1.OPERACIN DE UNA BOMBAROTMETROSESQUEMA DEL REACTOR PRINCIPALCONCENTRACIN VS. CONDUCTIVIDAD DEL NAOH3.8.1.3-1. GRFICA DE LA CONCENTRACIN VS LA CONDUCTIVIDADDEL HIDRXIDO DE SODIO A DISTINTASCONCENTRACIONES3.8.2-1.BALANCE DE ENERGA CON REACCIN QUMICA6971

NDICE DE ANEXOSI. DIAGRAMA DE INGENIERA DEL REACTOR DE MEZCLA COMPLETAII. GRFICA DE LAS CORRELACIONES DE POTENCIA PARA DIVERSOSIMPULSORES Y DEFLECTORESIII. PROPIEDADES DEL AGUA SATURADAIV. REACTOR DE MEZCLA COMPLETA

RESUMENSe ha diseado y construido un reactor de mezcla completa de carcter didctico en elcual se podr observar y llevar a cabo diversas prcticas de laboratorio en la ctedra deIngeniera de Reacciones Qumicas.El mencionado reactor fue diseado en base a relaciones adimensionales conocidas paratanques agitados, est construido en acero inoxidable 304 debido a sus caractersticasanticorrosivas, el reactor consta de dos tanques de alimentacin de 3 litros de los cuales,mediante bombas, se puede mantener un flujo continuo de los reactivos que seencuentran regulados mediante rotmetros que se dirigen hacia un tanque agitado dedoble camisa de 3 litros que es regulado por un termostato.Para demostrar su funcionamiento se realiz la obtencin de acetato de sodio y etanolutilizando hidrxido de sodio 0.1 M y acetato de etilo 0.1 M.Mediantelavariacin delos parmetros encontrados en laliteraturayexperimentalmente se decidi que las condiciones de trabajo apropiadas son: Unatemperatura controlada de 25 C, una agitacin de 240 rpm, con un flujo dealimentacin de 40 ml/min de cada reactivo, aproximadamente por 45 minutos hastaque la reaccin alcance su estado estacionario.Bajo las mencionadas condiciones se obtuvo que el factor de conversin del reactivolimitante fue de 79 % y su concentracin final de 0.021 demostrando as que laeficiencia del equipo es la adecuada.Para alargar la vida til del equipo se recomienda leer las instrucciones del manual deoperacin adjunto a esta investigacin cientfica.iii

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RESUMENUn reactor de mezcla completa-con fines didcticos para observar y llevar a cabo diversas laboratorioprcticas en la Reaccin Qumica Ingeniera Asunto, se ha diseado yconstruida.El reactor anterior se dise sobre la base de las relaciones adimensionales conocidos paratanques agitados, sino que se construye en acero inoxidable 304, debido a su anticorrosivocaractersticas; el reactor consiste en dos tanques de alimentacin 3-litros para mantener a travsbombas de un flujo continuo de los reactivos que son regulados a travs de medidores rotatoriosque ir a un doblete de 3 litros agitado - tanque de la camiseta que est regulado por un termostato.Para demostrar su funcionamiento la obtencin de acetato de sodio y etanol fuellevado a cabo utilizando hidrxido de sodio 0,1 M y 0,1 M acetato de etilo.A travs de la variacin de los parmetros encontrados en la literatura y experimentalmente, seSe decidi que las condiciones de trabajo adecuadas son: una temperatura controlada de 25 C,240 rpm de agitacin, 40 ml / min de cada flujo de alimentacin de reactivo, aproximadamente 45 minutoshasta tener la reaccin alcance su estado estacionario.En las condiciones anteriores se obtuvo que el factor de conversin de la limitacinreactivo fue 79% y su concentracin final, 0.021, lo que demuestra que el equipoeficiencia era adecuado.Para alargar la vida de servicio en el equipo, se recomienda para leer la operacinmanual de instrucciones adjunta en esta investigacin cientfica.

INTRODUCCINPara la formacin de un Ingeniero Qumico es muy importante contar con equipos parala realizacin de prcticas que le puedan ayudar a comprender mejor la ctedraimpartida, por ello, es un verdadero problema no contar con los elementos adecuadospara el estudio experimental, por lo cual hemos visto la imperiosa necesidad de diseary construir un reactor continuo de mezcla completa, mismo que no existe en loslaboratorios de la Escuela de Ingeniera Qumica y en toda la ESPOCH.Un reactor qumico de mezcla completa es uno de los ms usados en la industriaqumica, debido a que presenta ciertas ventajas que se derivan de la uniformidad depresin, composicin y temperatura. Una de ellas es la posibilidad de ser operados encondiciones isotrmicas, aun cuando el calor de reaccin sea alto.Esta caracterstica es aprovechada cuando se desea que el reactor opere en intervalospequeos de temperatura para reducir las reacciones secundarias que podran degradaral producto o para evitar velocidades desfavorables.La Ingeniera Qumica es una disciplina en la cual la experimentacin juega un papelimportante, por tal razn, muchos de los procesos que involucran reacciones qumicasrequieren durante su desarrollo de pruebas a nivel de laboratorio y/o planta piloto antesdequedar especificados en forma definitiva. Es por ello, que para el diseo yconstruccin del reactor de mezcla completa se adaptar su tecnologa a escala delaboratorio, que el reactor de mezcla completa se realizar a escala de laboratorio, seincluir los clculos de dimensionamiento para su construccin como lo son: bombas,tanque de depsito, doble camisa y medidores de caudal.iii

Para comprobar el funcionamiento del reactor se llevar a cabo una prctica delaboratorio en la que mediante acetato de etilo e hidrxido de sodio se obtendr acetatode sodio y etanol, adems, se realizaron los clculos de: concentraciones finales,constante cintica de la reaccin, tiempo espacial, conversin de reactivos a productos.Sin embargo en el reactor se podrn realizar otras prcticas que no involucren solo estetipo de reactivos dndole versatilidad al equipo.iii

ANTECEDENTESLa modelacin de equipos y fenmenos ha sido de suma importancia en la IngenieraQumica an desde sus principios, aunque en algunos casos los modelos suelen sercomplicados y por ello numerosos autores sostienen que en la ciencia es necesarioapartarse de la complejidad del mundo real y en su lugar hay que colocar una situacinms o menos idealizada que sea ms sencilla para el anlisis, despus de esto puederefinarse el modelo tanto como se quiera. De esta manera, la modelacin se constituyeen una abstraccin del mundo que asume la certidumbre de algunas suposiciones y conbase en ellas obtiene un resultado simplificado que representa en mayor o menormedida al objeto de estudio.Todos los trabajos en materia de modelacin se basaron en teoras y se introdujeron enla Ingeniera Qumica, un mtodo comn aceptado hasta el momento, consiste enemplear nmeros adimensionales, coeficientes de transferencia, constantes, tipos deflujo y correlaciones empricas que relacionan dichos trminos, lo cual ha permitidodisear intercambiadores de calor, reactores de mezcla completa, reactores batch,columnas de absorcin y torres empacadas, entre otros.En cuanto a los reactores continuos existen dos modelos ideales: el de flujo tapn,empleado para el diseo de reactores PFR (Plug Flow Reactor) y el de flujo mezclado,empleado para disear reactores continuos de mezcla completa. La necesidad de saber aqu tipo de flujo se acomodaba un reactor real tena dos soluciones posibles: evaluar elcampo de velocidades o construir una simple distribucin de tiempos de residenciamediante un pulso de un trazador. En la actualidad se emplea este ltimo mtodo conexcelentes resultados.iv

Tambin es importante recalcar que en la Escuela de Ingeniera Qumica de la ESPOCHno contamos con un reactor que sea de tipo continuo y que involucre el estudio deIngeniera de Reacciones.iv

JUSTIFICACINTeniendo en cuenta que las reacciones qumicas son por lo general las etapas mssignificativas de los procesos, a ms de que deciden su viabilidad econmica,constituyen la parte de la ingeniera ms genuina del Ingeniero Qumico denominadadiseo de reactores qumicos.Los reactores constituyen la base de muchos procesos qumicos. Es por ello que hemoscredo necesaria la implementacin de un reactor continuo de mezcla completa conagitacin.Es necesario recalcar que el conocimiento de la rama de Ingeniera de las ReaccionesQumicas y por ende del diseo de reactores son factores valiosos para la optimizacin,sobre todo porque siempre estarn presentes en cualquier proceso qumico junto con lascorrespondientes etapas fsicas que le acompaen, y que aunque el reactor sea un temmenor en los costes de capital en una determinada planta, su operacin determinafrecuente y decisivamente la carga, tamao y configuracin de los equipos yoperaciones asociadas de preparacin, acondicionamiento y separacin en combinacin.Todo esto implica, en un sentido amplio, tener en cuenta los factores relacionados conla construccin del equipo, tales como, la seleccin de la forma, tamao, modo deoperacin, materiales constructivos y accesorios del reactor de mezcla completa, puestoque mediante su implementacin y funcionamiento en el laboratorio de Ingeniera de lasReacciones Qumicas se contribuir con el desarrollo de la Escuela de IngenieraQumica , de sus estudiantes y entregar al mundo laboral profesionales de calidad.v

OBJETIVOSGENERALRealizar el diseo, construccin y verificacin de funcionamiento de un reactorcontinuo de mezcla completaESPECFICOSDefinir las variables del diseo del equipo.Efectuar los clculos de dimensionamiento del reactor de mezcla completa.Realizar la construccin del equipo.Realizar una prctica de laboratorio para utilizar el equipo.Elaborar el manual de operacin del equipo.

CAPTULO IMARCO TERICO2

MARCO TERICO1.1.REACTORES QUMICOS1.1.1. REACTOR QUMICOUn reactor qumico es una unidad procesadora diseada para que en su interior se llevea cabo una o varias reacciones qumicas. Dicha unidad procesadora est constituida porun recipiente cerrado, el cual cuenta con lneas de entrada y salida de sustanciasqumicas. Se debe disear un reactor con el fin de maximizar la conversin yselectividad de la reaccin con el menor coste posible y hay que tomar en cuenta que unreactor es el equipo principal de la mayora de los procesos qumicos.1.1.2. FUNCIONES DE UN REACTOR QUMICOLos reactores qumicos tienen como funciones principales:Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior deltanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes.Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con elcatalizador, para conseguir la extensin deseada de la reaccin.Permitir condiciones de presin, temperatura y composicin de modo que lareaccin tenga lugar en el grado y velocidad deseada, atendiendo a los aspectostermodinmico y cintico de la reaccin.1.1.3. REACTORES IDEALESExisten tres tipos de rectores ideales, en la figura 1.1.3-1 se representa cada uno deellos:3

Fig. 1.1.3-1. Tipos de reactores ideales: a) Reactor discontinuo; b) Reactor de flujo enpistn; c) Reactor de mezcla completaa)El primero es un reactor discontinuo en donde los reactantes se introducen en elreactor, se mezclan, se deja que reaccionen en un tiempo determinado yfinalmente se descarga la mezcla resultante. Es sta una operacin no estacionariaen la que la composicin va variando con el tiempo, aunque en cada instante esuniforme en todos los puntos del reactor.b)El primero de los dos reactores ideales de flujo estacionario, es el reactor de flujoen pistn, este reactor se caracteriza porque el flujo del fluido perpendicular a unaseccin transversal es ordenado, sin que ningn elemento del mismo sobrepase ose mezcle con cualquier otro elemento situado antes o despus de aqul; enrealidad, en este reactor puede haber mezcla lateral de fluido, pero nunca ha deexistir mezcla o difusin a lo largo de la trayectoria de flujo. La condicinnecesaria y suficiente para que exista flujo en pistn es que el tiempo deresidencia en el reactor sea el mismo para todos los elementos del fluido (1).c)El otro reactor ideal de flujo estacionario, se denomina reactor de mezclacompleta, y como su nombre indica, es el reactor que su contenido estperfectamente agitado y su composicin en cada instante es la misma en todos lospuntos del reactor. Por consiguiente, la corriente de salida de este reactor tiene lamisma composicin que la del fluido contenido en el mismo.4

1.1.4. TIPOS DE PROCESO1.1.4.1. PROCESOS DISCONTINUOSUn proceso discontinuo o por lotes se da cuando los reactivos son precargados y sevacan cuando la reaccin se ha completado.La ventaja clave de este tipo de procesos es la flexibilidad. Por eso se utilizanmayoritariamente en la industria qumica, alimentaria o farmacutica, donde es muyimportante ofrecer una gran variedad de productos e introducir otros nuevos muyrpidamente, ya que estos sectores industriales operan en mercados altamentecompetitivos. Los equipos de procesos discontinuos se disean para manejar un rangode operaciones y productos. La flexibilidad permite manufacturar nuevos productos sintener que construir una nueva planta o sin tener que hacer grandes cambios de equipo.Esta flexibilidad tambin permite producir pequeas cantidades de un producto sinarriesgar toda la productividad.En los procesos discontinuos una desviacin excesiva de la reaccin, suele ser difcil decontrolar. Por ello, frecuentemente para reacciones exotrmicas y para las de dos fases(gas-lquido) se utiliza una operacin semidiscontinua. En stas slo parte de losreactivos son cargados inicialmente y el resto de reactivos y catalizador son aadidos demodo controlado. De este modo, si ocurre una prdida de control es posible detener lacarga de reactivos.Un proceso discontinuo o por lotes se caracteriza por trabajar en condiciones noestacionarias; es decir, que durante la operacin la composicin y la generacin de calorcambian.5

1.1.4.2. PROCESOS CONTINUOSLos procesos continuos se los suele realizar en recipientes agitados, ya sea de modosimple o en cascada, con tuberas de flujo de descarga. En estos sistemas todos losreactivos son continuamente cargados al reactor y los productos son continuamentedescargados.Los procesos continuos se caracterizan por trabajar en condiciones estacionarias, en lasque tanto el calor generado como la composicin permanecen constantes durante laoperacin.Los procesos continuos tienen una principal ventaja, que es la produccin en granvolumen de un producto estndar que generalmente proporciona una buenarecuperacin del capital invertido, dado que los requerimientos de productos nocambian significativamente el proceso necesitar mnimas modificaciones durante suvida de trabajo para mantenerse competitivo.Para tener una idea comparativa entre procesos continuos y discontinuos, a continuacinen la tabla 1.1.4-1 se diferencia las caractersticas entre cada uno y en la tabla 1.1.4-2 seespecifica la preferencia de aplicacin de estos reactores en los distintos camposindustriales.6

TABLA 1.1.4-1. COMPARACIN ENTRE PROCESOS DISCONTINUOS YCONTINUOSCARACTERSTICASOperacin de procesoDISCONTINUOOcurre una secuenciaespecfica.Diseado para ser capaz deproducir muchos productos.Una cantidad limitada (lote).Variable, a menudoEntornocambiando notablementeentre operaciones.Necesario, regularmenteIntervencin del operadorcomo parte de las operacionesde proceso.CONTINUOOcurre continua ysimultneamente.Diseado para producirproductos especficosUn flujo continuo.Usualmente, estado fijo conpresin, flujo, etc.,constantes.Principalmente, paracorregir condicionesanormales.Diseo de equipo, usoProductoFuente: Sawyer P., Computer-controlled batch processing, Institution of Chemical Engineers, 1993.TABLA 1.1.4-2. DISTRIBUCIN DE PROCESOS CONTINUOS YDISCONTINUOS EN DIVERSOS SECTORES INDUSTRIALESSector IndustrialQumicoAlimentacinFarmacuticoMetalesVidrio y cementoPapelMtodo de operacinDiscontinuo45%65%80%35%35%15%Continuo55%35%20%65%65%85%Fuente: Sawyer P., Computer-controlled batch processing, Institution of Chemical Engineers, 1993.7

1.1.5. TIPOS DE REACTORES QUMICOSExisten infinidad de tipos de reactores qumicos y cada uno responde a las necesidadesde una situacin en particular, entre los tipos ms importantes, ms conocidos ymayormente utilizados en la industria se puede mencionar los siguientes:Reactor discontinuo.Reactor continuo.Reactor semicontinuo.Reactor tubular.Reactor de lecho fluidizado.Reactor de mezcla completa o perfecta.Reactores isotrmicos.Reactores isobricos.TABLA 1.1.5-1. COMPARACIN DE DIFERENTES TIPOS DEREACTORESREACTORPFRCONTINUO DEMEZCLACOMPLETAVENTAJASBajo InventarioCondicionesestacionarias.Condicionesestacionarias.La agitacin suministrauna herramienta deseguridad.El flujo puede serdiluido para ralentizar lareaccin.La agitacinsuministra unaherramienta deseguridad.Velocidad de adicincontrolable.La agitacinsuministra unaherramienta deseguridad.Gran exotermiacontrolable.DISCONTINUOSEMI-DISCONTINUO8

DESVENTAJASDependencia delproceso.Posibles puntoscalientes.Agitacin presentesolo si sondisponiblesmezclas en lnea.Difcil de disear.Gran inventario.Difcil de enfriargrandes masas.Difcil empezar ydetener.Problemas deprecipitacin.Bajo rendimientoglobal.Grandes exotermiasdifciles de controlar.Grandes inventarios.Todos los materialespresentes.La temperatura deinicio es critica (si esmuy baja, seacumulan reactivos).Problemas deprecipitacin.Fuente: CCPs, Guidelines for Chemical reactivity evaluation and application to process design, 1995.1.1.6. ELECCIN DEL REACTORPara poder elegir un reactor es conviene realizar un balance tcnico-econmicocompleto, teniendo en cuenta factores, tales como, el tipo de operacin y mantenimientoa realizar, adems se debe elegir la configuracin ms apropiada que dependerprincipalmente de los factores fsico-qumicos propios de cada tipo de reaccin qumica.1.1.7.DISEO DE REACTORESEl diseo de reactores es la ciencia y el arte de seleccionar y disear reactoresqumicos de forma que operen eficientemente. Probablemente esta disciplina es la queestablece a la Ingeniera Qumica como una rama independiente de la ingeniera. Paratal fin es necesario conocer tanto la cintica como la termodinmica de las reacciones deinters. Otras disciplinas importantes para el diseo de reactores son la mecnica defluidos, la transferencia de materia y la transmisin de calor (2)Para el diseo de un reactor hemos de tener en cuenta, el tamao y tipo de reactor a mslas condiciones de operacin ms adecuadas para el fin propuesto. Como esto puedeexigir que las condiciones en el reactor varen con la posicin y con el tiempo, para ello9

es necesario efectuar la integracin adecuada de la ecuacin cintica para lascondiciones de operacin. Esta integracin puede presentar dificultades debido a que latemperatura y la composicin del fluido reaccionante pueden variar de un punto a otrodel reactor, dependiendo del carcter exotrmico o endotrmico de la reaccin y de lavelocidad de intercambio de calor con los alrededores. Por otra parte, las caractersticasgeomtricas del reactor determinan la trayectoria del fluido a travs del mismo y fijanlas condiciones de mezclado que contribuyen a diluir la alimentacin y redistribuir lamateria y el calor. Por consiguiente, antes de poder predecir el funcionamiento de unreactor hemos de tener en cuenta muchos factores como la tasa de produccin, lasventajas de cada tipo de reactor, tipo de flujo, entre otros, constituyendo el principalproblema del diseo el escoger el modo ms adecuado de tratar estos factores.1.2.REACTOR DE MEZCLA COMPLETAUn Reactor de Mezcla Completa, reactor de retro mezcla, reactor ideal de tanque conagitacin o reactor CSTR por sus siglas en ingls (Continuous Stirred Tank Reactor),es un tanque en el cual se pueden realizar diferentes reacciones cinticas como se detallaen la tabla 1.2.6-1.En este tipo de reactor la masa reaccionante es continuamente agitada de tal manera quese considera como una mezcla completa y, por lo tanto, se asume que la composicin dela corriente de salida es igual a la composicin dentro de cualquier punto del reactor,esta composicin no vara en el tiempo, por lo que se considera en ESTADOESTACIONARIO. Este tipo de reactores se emplean para estudios cinticos o de diseoexperimental de reactores puesto que son de sencilla construccin y adems en suclculo de diseo ofrecen la posibilidad de relacionar el grado de conversin requerido,10

la velocidad de reaccin, el volumen y las concentraciones iniciales de reactivos, todoen una expresin resultante de un balance de masa, sin necesidad de integrar, puesto queel reactor se halla en estado estacionario respecto a la posicin dentro del reactor y conrespecto al tiempo.Un reactor de mezcla completa opera en forma continua, es decir, los flujos de entradade reaccionantes y salida de productos son permanentes. Se asume que la corriente deentrada es perfecta e instantneamente mezclada con la masa presente en el reactor, detal manera que la concentracin de la corriente de salida es igual a la concentracin dela masa reaccionante dentro del reactor.Figura 1.2-1. Reactor de mezcla completaLa conversin que se alcanza en un reactor de mezcla completa depende del volumen, eltiempo espacial y la velocidad de reaccin en el reactor, adems del flujo y laconcentracin del alimento. Estos factores estn relacionados en la ecuacin de diseopropia de este tipo de reactor.11

1.2.1. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UN REACTOR DE MEZCLACOMPLETA1.2.1.1. VENTAJASSon ms baratos (trabajan a presin atmosfrica).Facilidad de apertura y limpieza.Es ms fcil regular la temperatura (mayor rea externa o interna de refrigeracin).Proporcionan agitacin donde es conveniente, yEvitan la formacin de puntos calientes (debido a la agitacin).1.2.1.2. DESVENTAJASLa velocidad media de reaccin sea inferior a la del reactor tubular (por ello paraigual produccin su volumen ser mayor).Existe la probabilidad finita de que parte del reactivo no se transforme porencontrar la salida antes de reaccionar (prdida por recirculacin); para minimizareste efecto se disponen tanques en serie, y se hace uso de la agitacin continuacon objeto de evitar una canalizacin casi directa entre la entrada y salida.1.2.2. USOS EN LA INDUSTRIAEste tipo de reactores principalmente se emplean en:Polimerizacin para la produccin de plsticos y pinturas.Produccin de acetato de sodio para la formacin de jabones.Produccin de nitrobenceno para los explosivos.12

Produccin de propilenglicol para anticongelantes.Hidrolizacin de anhdrido actico para producir cido actico.Oxidacin de Diesel para su deshidrodesulfuracin.Industria orgnica donde hay deposiciones slidas o resinosas: sulfataciones,nitraciones, polimerizaciones, etc.Tambin por la posibilidad de agitacin, se emplean en reacciones con partculasslidas suspendidas o con lquidos inmiscibles (ej. nitracin del benceno otolueno); tambin permiten mantener burbujas de gas en fase lquida.1.2.3. MODELO MATEMTICO DE REACTOR DE MEZCLA COMPLETALa ecuacin de diseo para el reactor de mezcla completa se obtiene a partir de laEc.1.2.3-1, efectuando el balance de un componente determinado en un elemento devolumen del sistema; aunque, como la composicin es uniforme en todo el reactor, elbalance puede referirse a todo el volumen del reactor.(3)Ec.1.2.3-1Considerando el reactante A, la Ec.1.2.3-1, tenemos:Entrada = salida + desaparicin por reaccin + acumulacinEc.1.2.3-2En un reactor de mezcla completa, los flujos de cada uno de los componentes en lacorriente de salida son los de la corriente de entrada ms el producido o consumido neto13

en la reaccin, de acuerdo a la velocidad de sta y al volumen de masa reaccionante enel reactor. Considerando el reactante A como el reactivo limitante, el proceso que serealiza dentro del reactor est representado en la figura 1.2.3-1.CAOxAO=0vOFAOCAf = CAV, XACA, (-rA)TotalmenteuniformexAf = xA(-rA)f = (-rA)FAFigura 1.2.3-1. Nomenclatura utilizada para un reactor de mezcla completaDonde:CAO = Concentracin molar de entrada del reactivo A (xAO = Fraccin molar de entrada del reactivo A (%)vO = Velocidad inicial del fluido de entrada (FAO = Flujo molar de entrada del reactivo A (V = Volumen del reactor (l)-rA = Velocidad de reaccin del reactivo A (CA = Concentracin molar de salida del reactivo A (xA = Fraccin molar de salida del reactivo A (%)FA = Flujo molar de salida del reactivo A ())))))14

Sies el caudal molar del componente A en la alimentacin al reactor.Considerando la Fig. 1.2.3-1 tenemos:Flujo molar de entrada de A, moles/tiempo =Ec. 1.2.3.1-1Flujo molar de salida de A, moles/tiempo =Ec. 1.2.3.1-2Entonces sustituyendo la Ec.1.2.3.1-2 tenemosY efectuando operaciones resulta:Ec.1.2.3.1-3Donde: = Tiempo espacials = Velocidad espacialDonde xA y rA se evalan para las condiciones de la corriente de salida, que son igualesa las existentes dentro del reactor.15

De modo ms general, si la alimentacin sobre la que se basa la conversin (queexpresamos con el subndice 0) entra en el reactor parcialmente convertida (queexpresamos por el subndice i) y sale en las condiciones que expresamos con elsubndice f, tenemos:Ec.1.2.3.1-4Para el caso especial de sistemas de densidad constante, la ecuacin de diseo para losreactores de mezcla completa puede escribirse tambin en funcin de lasconcentraciones, o sea:Ec.1.2.3.1-5Estas expresiones relacionan de manera sencilla los cuatro trminos; porconsiguiente, conociendo tres de ellos obtenemos directamente el cuarto. Entonces, enel diseo, el tamao de reactor necesario para una funcin determinada, o el grado deconversin en un reactor de tamao conocido, se calculan directamente porque se hanestablecido estndares de construccin. En los estudios cinticos cada experiencia enestado estacionario dar, sin integracin, la velocidad de reaccin para las condicionesconsideradas.16

La facilidad de interpretacin de los datos de un reactor de mezcla completa hace que suempleo sea muy atractivo en los estudios cinticos, particularmente en reaccionescomplejas, por ejemplo, en reacciones mltiples y en reacciones catalizadas por slidos.1.2.4. TIEMPO DE PERMANENCIA Y TIEMPO ESPACIAL PARA SISTEMASFLUYENTESPara observar la diferencia entre el tiempo de permanencia (o tiempo medio deresidencia) y el tiempo espacial para un reactor de flujo, se tiene:El valor adecuado del tiempo de permanencia se determina de acuerdo con la cinticaparticular del sistema.Es por ello que si se tratase de un sistema en fase lquida (no en fase gaseosa) laexpansin sera despreciable, y saldra un litro por cada litro que entrase; porconsiguiente, el tiempo de permanencia y el tiempo espacial seran idnticosPara sistemas discontinuos es el tiempo de reaccin; por consiguiente, para sistemasfluyentes podramos suponer, por analoga, que el tiempo de permanencia sera lamagnitud adecuada. Sin embargo, el tiempo de permanencia no aparece nunca en lasecuaciones de diseo para sistemas fluyentes deducidas, Por lo tantoadecuada para el diseo de sistemas fluyentes.Es importante recalcar que cuando el fluido es de de densidad constante, el tiempoespacial es equivalente al tiempo de permanencia, por lo tanto estos trminos puedenutilizarse indistintamente. Sin embargo, para fluidos de densidad variable, por ejemplo,reacciones gaseosas no isotrmicas o reacciones gaseosas en las que cambia el nmeroes la magnitud17

de moles, deber hacerse la distincin entre t y , y utilizar la magnitud ms adecuadapara cada caso.1.2.5. RELACIN DE LA CONDUCTIVIDAD CON LA CONCENTRACINDE UNA REACCIN QUMICALa conductividad de una solucin reaccionante en un reactor cambia con el grado deconversin y esto provee un mtodo conveniente para monitorear el progreso de unareaccin qumica. Esto es til para el estudio de reacciones en que intervienen iones quepresentan conductividades inicas relativamente altas (particularmente iones H + y OH-).En soluciones diluidas la sustitucin de un in por otro de diferente conductividadinica ser proporcional a la velocidad de variacin de concentracin del in activo. Porejemplo la hidrlisis alcalina de un ster.(4)Veamos entonces la reaccin de saponificacin del acetato de etilo por hidrxido desodio:NaOH + CH3COOCH2CH3 CH3COONa + C2H5OHTanto el hidrxido de sodio y el acetato de sodio contribuyen a la conductividad en lasolucin reaccionante, mientras que el acetato de etilo y el alcohol etlico no. Laconductividad del hidrxido de sodio a una concentracin y temperatura dada no es lamisma que del acetato de sodio a la misma concentracin y temperatura; por tanto lasrelaciones han sido establecidas para permitir deducir la conversin a partir de laconductividad.Esta reaccin es de segundo orden y puede ser considerada irreversible.18

TABLA 1.2.6-1. EJEMPLOS DE ENSAYOS REALIZADOS EN REACTORES DE MEZCLA COMPLETAFase en elreactorLLLLLGLLLLLP(atm)2-38-1112112-151111Tiempo de residencia ovelocidad espacial5-40 min5-25 min0.2 LHSV0.25-2 h140 h1-3 h0.75 h20 min100 min1-30 minProductoAlquilatoAlquilatoSulfo-butadienoCaprolactamaCloralHidroperxido de cumenoCiclohexanonaDextrosaDextrosaDodecilbencenoMateria Primai-C4 , butenosi-C4 , butenosButadieno, SO2Oxima deciclohexanoCl2acetaldehdoCumeno, aireCiclohexanolAlmidnAlmidnBenceno, tetrmerode propilenoEtanol , cidoacticoCatalizadorH2SO4HFt-butil catecolAcidopolifosfricoNingunoMetalesprfidos-H2SO4EnzimaAlCl3T (C)5-1025-383480-10020-9095-1201071656015-20Acetato de etiloLH2SO410010.5-0.8 LHSV

Acetato de sodio, etanolEtileno, clororhidrinas de propilenoGlicerolAcido o-metil benzoicoNitrobencenoFenolAcetato de etilo,hidrxido de sodioCl2, H2OAlcohol allico,H2O2Xileno, aireBenceno, HNO3Hidroperxido decumenoAcido metacrlico,i-butenoDiisobuteno, COLLGLGLLNingunoNingunoH2WO4V2O5H2SO4SO220-4030-4040-60300-45045-9545-6513-1012-1012-345 min0.5-5 min3h0.1-5 s3-40 min15 minMetracrilato de t-butiloAldehdosLLGH2SO4Co carbonilo2515032000.3 LHSV1.7 hFuente: PERRY Robert H. Don W. Green. Manual del ingeniero qumico Volumen IV, 7ma edicin, Editorial Mc-Graw Hill 2001.Madrid Espaa, Tabla 23.1 Seccin 23-7Abreviaturas. Fases: lquido (L), gas (G), ambos (LG). Velocidades espaciales (por hora): Gas (GHSV), lquido (LHSV), peso (WHSV).20

1.3.AGITACINEs una Operacin Unitaria mecnica que consiste en realizar movimientos violentos eirregulares en el seno de una masa fluida o que se comporte como tal para obtener unamezcla homognea, es decir, mantener la concentracin constante en todas partes de lamasa. (5)El mezclado y/o agitacin de lquidos miscibles o de slidos en lquidos se efecta conel objeto de lograr una distribucin uniforme de los componentes entre s por medio delflujo, normalmente en un patrn circulatorio dentro de algn tipo de contenedor. Dichoflujo es producido por medios mecnicos generalmente cuando se mezclan lquidosmiscibles o slidos en lquidos se puede lograr un mezclado ntimo, pero con lquidosinmiscibles y materiales muy viscosos o pastosos el grado de mezclado logrado esmenor.La eficiencia del proceso de mezclado depende de una efectiva utilizacin de la energaque se emplea para generar el flujo de componentes. Para lograr proporcionar unsuministro de energa adecuado hay que considerar las propiedades fsicas de loscomponentes, el diseo del agitador que transmite la energa y la configuracin deltanque de mezclado.Con frecuencia, un agitador cubre varios propsitos al mismo tiempo, como ocurre en elcaso de la hidrogenacin cataltica de un lquido. En un recipiente de hidrogenacin, elhidrgeno gaseoso es dispersado a travs de un lquido en el que estn suspendidas laspartculas slidas del catalizador, al tiempo que se retira el calor de la reaccin pormedio de un serpentn o camisa de enfriamiento.

1.3.1. PROPSITOS DE LA AGITACINLos lquidos se agitan con numerosos propsitos, dependiendo de los objetivos de laetapa del proceso. Dichos propsitos incluyen:Suspensin de partculas slidas.Mezclado de lquidos miscibles, por ejemplo, alcohol metlico y agua.Dispersin de un gas a travs de un lquido en forma de pequeas burbujas.Dispersin de un segundo lquido, inmiscible con el primero, para formar unaemulsin o suspensin de gotas finas.Promocin de la transferencia de calor entre el lquido y un serpentn oencamisado.1.3.2. TANQUES AGITADOSLos lquidos se agitan con ms frecuencia en algn tipo de tanque o recipiente, por logeneral de forma cilndrica y provisto de un eje vertical. La parte superior del tanquepuede estar abierta al aire; pero generalmente est cerrada. Las proporciones del tanquevaran bastante, dependiendo de la naturaleza del problema de agitacin. Sin embargo,en muchas situaciones se utiliza un diseo estandarizado como el que se muestra en lafigura 1.3.2-1. El fondo del tanque es redondeado, no plano, para eliminar las esquinas oregiones agudas en las que no penetraran las corrientes de fluido. La profundidad (oaltura) del lquido es aproximadamente igual al dimetro del tanque. Un agitador vainstalado sobre un eje suspendido, es decir, un eje sostenido en la parte superior. El ejees accionado por un motor, a veces directamente conectado al eje, pero es ms comnque se encuentre conectado a ste, a travs de una caja reductora de velocidad. Por lo22

general tambin lleva incorporados accesorios tales como lneas de entrada y salida,serpentines, encamisados y pozo para termmetros u otros equipos de medicin de latemperatura.Figura 1.3.2-1. Tanque tpico del proceso con agitacin.1.3.3. IMPULSORESLos agitadores de impulsor o rodete se dividen en dos clases. Los que generancorrientes paralelas al eje del impulsor se llaman impulsores de flujo axial; y aquellosque generan corrientes en direccin radial o tangencial se llaman impulsores de flujoradial. Los tres principales tipos de impulsores para lquidos de baja a moderadaviscosidad son las hlices y turbinas. Cada uno de ellos comprende muchas variantes ysubtipos que no se considerarn aqu. Para lquidos muy viscosos, los impulsores msadecuados son los de hlice y agitadores de anclaje.23

Figura 1.3.3-1. Agitadores para lquidos de viscosidad moderada: a) agitadormarino de tres palas; b) turbina simple de pala recta; c) turbina de disco; d) agitador depala cncava CD-6; e) turbina de pala inclinada.1.3.4. HLICESUna hlice es un impulsor de flujo axial y alta velocidad que se utiliza para lquidos debaja viscosidad. Las hlices pequeas giran con la misma velocidad que el motor, ya seaa 1150 o 1750 rpm; las grandes giran de 400 a 800 rpm. La direccin de la rotacin seelige generalmente para impulsar el lquido a descender, y las corrientes de flujo quesalen del impulsor continan a travs del lquido en una direccin determinada hastaque chocan con el fondo del tanque. La columna altamente turbulenta de remolinos delquido que abandona el agitador, arrastra al moverse el lquido estancado,probablemente en mayor proporcin que una columna equivalente de una boquillaestacionaria. Las palas de la hlice cortan o cizallan vigorosamente el lquido. Debido ala persistencia de las corrientes de flujo, los agitadores de hlice son eficaces en tanquesmuy grandes.24

Una hlice rotatoria traza una hlice en el fluido, y si no hubiera deslizamiento entre ellquido y el agitador, una revolucin completa provocara el desplazamientolongitudinal del lquido a una distancia fija, dependiendo del ngulo de inclinacin delas palas de la hlice. La relacin entre esta distancia y el dimetro de la hlice seconoce como paso de hlice. Una hlice con un paso de 1.0 se conoce como pasocuadrado.La diferencia que existe entre la hlice y la turbina, es que la hlice trabaja a grandesvelocidades, mientras que la turbina puede trabajar a medianas y bajas velocidades.Adems la forma de la hlice tiene una forma redondeada (caracterstica comn en lashlices de los barcos), mientras que la turbina tiene diferentes formas como se puedeapreciar en la figura 1.3.5-1, lo que provoca mayores superficies de corte como serepresenta en la figura 1.3.7-1.1.3.5. TURBINASEn la figura 1.3.5-1 se representan cinco tipos de agitadores de turbina. En la figura1.3.5-1b se muestra la turbina sencilla de palas rectas, que empuja al lquido en formaradial y tangencial, casi sin movimiento vertical al agitador. Las corrientes que generase desplazan hacia fuera hasta la pared del tanque y entonces fluyen hacia arriba o haciaabajo. Tales agitadores son llamados a veces paletas. En los tanques de proceso, losagitadores industriales tpicos de paletas giran a velocidades comprendidas entre 20 y150 rpm. La turbina de disco, con palas mltiples rectas instaladas en un discohorizontal (figura 1.3.51c), como el agitador de pala recta, crea zonas de alta velocidadde corte. Esta turbina es especialmente til para la dispersin de un gas en un lquido.La turbina de disco de pala cncava CD-6 mostrada en la (figura 1.3.5-1d) tambin se25

utiliza con frecuencia para la dispersin de gas. Una turbina de pala inclinada seemplea cuando la circulacin global es importante.En la figura (1.3.5-1e) se ilustra una hlice tpica. Las ms comunes son las hlicesmarinas de tres palas con paso cuadrado; para propsitos especiales a veces se empleanhlices de cuatro palas, dentadas y otros diseos.Las hlices rara vez superan los 18 cm de dimetro, independiente del tamao deltanque. En tanque profundo es posible instalar dos o ms hlices en el mismo eje,generalmente dirigiendo el lquido en la misma direccin.1.3.6. DISEO ESTNDAR DE TURBINAEl diseador de un tanque agitado dispone de un gran e inusual nmero de eleccionessobre el tipo y localizacin del agitador, las proporciones del tanque, el nmero y lasproporciones de los deflectores y otros factores. Cada una de estas decisiones afecta lavelocidad de circulacin del lquido, los patrones de velocidad y el consumo depotencia. Como punto de partida para el diseo de los problemas ordinarios deagitacin, generalmente se utiliza un agitador de turbina como el que se observa en lafigura 1.3.6-1.Figura 1.3.6-1. Dimensionamiento para una turbina26

Las proporciones tpicas estndares de dimensionamiento son:DaDtHDtjDt131 112EDtWDaLDa131514Estas relaciones son obtenidas mediante el anlisis dimensional aplicada a la operacinunitaria de agitacin.Por lo general, el nmero de deflectores es 4; el nmero de palas del agitador vara entre4 y 16, pero generalmente son 6 u 8. Situaciones especiales pueden, por supuesto,considerar proporciones diferentes de las que se acaban de indicar por ejemplo, quizresulte ventajoso colocar el agitador ms alto o ms bajo en el tanque, o tal vez seannecesarios utilizar un tanque ms profundo para lograr el resultado deseado.1.3.7. VELOCIDAD DE CIRCULACINPara que un tanque de proceso sea eficaz, independientemente del problema deagitacin, el volumen de fluido movido por el agitador debe ser suficiente para llevar lascorrientes a todo el tanque en un tiempo razonable.Figura 1.3.7-1. Tubos de aspiracin en un tanque con deflectores a) turbina;b) hlice.27

Adems, la velocidad de la corriente que sale del impulsor debe ser suficiente paratransportar las corrientes a las partes ms alejadas del tanque. En las operaciones demezcla y dispersin, la velocidad de circulacin no es el nico factor, ni siquiera el msimportante; sino que con frecuencia la turbulencia de la corriente controla la efectividadde la operacin. La turbulencia es una consecuencia de que las corrientes vayanadecuadamente dirigidas y de que se generen considerables gradientes de velocidad enel lquido. Tanto la circulacin como la generacin de turbulencia consumen energa;ms adelante se estudiarn las relaciones entre el consumo de potencia y los parmetrosde diseo de tanques agitados. Segn se ver, algunos problemas de agitacin requierengrandes flujos o elevadas velocidades medias, mientras que otros necesitan una elevadaturbulencia o disipacin local de potencia. Aunque tanto la velocidad de flujo como ladisipacin de potencia aumentan con la velocidad del agitador, la seleccin del tipo ytamao del agitador influye sobre los valores relativos de la velocidad de flujo y ladisipacin de potencia. En general, se utilizan grandes agitadores que se mueven avelocidades medias para promover el flujo, y se emplean agitadores ms pequeos avelocidad elevada cuando lo que se requiere es una elevada turbulencia.1.3.8. CONSUMO DE POTENCIAUna consideracin importante en el diseo de los tanques agitadores es la potencia quese requiere para mover el impulsor. Cuando el flujo en el tanque es turbulento, lapotencia necesaria se estima a partir del flujo q generado por el impulsor y en la energacintica Ek por unidad de volumen de fluido.Esto es:28

Donde:Velocidad volumtrica de flujo= Dimetro del Rodete= Nmero de flujoEnerga cintica= Densidad del fluido= Velocidad total del lquidoSi la velocidad V2 es ligeramente menor que la velocidad en las puntas de las paletas 2la relacin es V2 / 2 que se representa por , V2 = nDa y la potencia necesaria es:Ec. 1.3.8-2Ec. 1.3.8-3En forma adimensional,29

Ec. 1.3.8-4El nmero de potencia (Np), est definido por el primer miembro de la ecuacinanterior:Ec. 1.3.8-5Y se puede deducir que la potencia (P), est definido por:Ec. 1.3.8-61.4.CONFORMACINCONTINUODELREACTORTIPOTANQUEAGITADO1.4.1. CMARA DE CALEFACCINTambin conocida como camisa externa o chaqueta, es la estructura que va por la parteexterior del reactor. Cede calor sensible a la cmara de ebullicin. En su parte interiorpuede contener agua o vapor, segn sea el caso.1.4.2. CMARA DE EBULLICINTambin conocida como camisa interna, va a alojar al fluido en su interior. Dicho fluidova a incrementar su temperatura gradualmente. Absorbe calor sensible de la cmara decalefaccin. (6)30

1.4.3. TIPOLOGA DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN REACTORSe da en las dos tipologas conocidas como: Conduccin en el cual el calor setransmite de partcula a partcula, es decir es propia de los slidos. Y la Conveccin queconsiste en la transferencia de calor por la diferencia de densidades; es propia de loslquidos.Independientemente del tipo de mecanismo de transporte de energa para que se lleve acabo la transferencia de calor, el flujo del mismo se rige por:Ec. 1.4.3-1Donde:Q = Flujo de calor que se transmite ())U = Coeficiente global de transferencia de calor (A = rea de transferencia (m2)= Gradiente de temperatura (K)1.4.4. DIFERENCIA DE LA TEMPERATURA MEDIA LOGARTMICAEl valor de la diferencia de la temperatura media logartmica es el valor que permitecaracterizar la transferencia de calor, en la etapa correspondiente con base a lastemperaturas extremas del sistema. Adems se consideran las dos corrientes y no solouna; el valor que resulta es la representacin de una fuerza impulsora.Considrese el intercambiador de calor de doble tubo mostrado en la figura 1.4.4-1, elcual opera en flujo paralelo.31

Th,iTc,iTh,oTc,oFigura 1.4.4-1. Distribucin de temperaturas en un intercambiador de doble tuboDonde:Th,i = Temperatura del fluido caliente de entradaTh,o = Temperatura del fluido caliente de salidaTc,i = Temperatura del fluido frio de entradaTc,o = Temperatura del fluido frio de salidaLa diferencia de la temperatura media logartmica queda expresada con la siguienteecuacin:Ec. 1.4.4-1El clculo del flujo de calor se realiza mediante:Ec. 1.4.4.-2Donde:MLDT = Diferencia de la temperatura media logartmica32

1.4.5. TRANSFERENCIA DE CALOR EN TANQUES AGITADOSLas correlaciones de transferencia de calor para soluciones agitadas en el interior de unrecipiente y las paredes de la chaqueta viene dado por:Ec. 1.4.5 -1Ec. 1.4.5 -2Ec. 1.4.5 -3Donde:= Dimetro interno del tanque (m)k = Conductividad trmica (Nre = Nmero de reynoldst = Dimetro del agitador (m)N = Velocidad rotacional (rpm) = Densidad del fluido (kg/m3) = Viscosidad del fluido (Pa.s)Np = Nmero de prandtlCp = Capacidad calorfica ())w = Viscosidad del fluido a temperatura de la pared (Pa.s)a, b, m = Constantes segn el tipo de agitador (6)33

1.5.DIMENSIONAMIENTO DE LA BOMBA PARA LA CONSTRUCCINDEL REACTORLas bombas centrfugas, frecuentemente, se consideran como componentes simples quese pueden insertar en circuitos ms complejos. En realidad, es necesario prestar muchaatencin a su configuracin, que debe estar siempre relacionada con las caractersticasdel sistema, con las necesidades de bombeo y con las exigencias especficas del usuario.La individualizacin de una bomba a rodete exige un conocimiento profundo de lascondiciones especficas de funcionamiento, quien construye bombas centrfugas debesaber calcular todas las informaciones tiles para la mejor proyeccin hidrodinmicaposible.Adems, s es necesario garantizar que estas bombas trabajen bien y puedan ejecutar suscapacidades con eficiencia hay que prestar atencin a las instalaciones de la bombamisma, para calcular los efectos de las condiciones de trabajo con lquido agresivo.Figura 1.5-1. Operacin de una bombaLa eleccin de una bomba para lquidos qumicamente agresivos requiere un examenatento de mltiples datos para ofrecer el producto adecuado a las exigencias del sistemade movimiento. Un cierto margen de seguridad y prdidas eventuales de carga se debentener en cuenta, pero sin prever intiles sobre dimensionamientos, solo as, se pueden34

evitar prestaciones insatisfactorias, averos imprevistos o injustificados aumentos decostes y de gestin.Por este motivo, se debe realizar el anlisis de todos los elementos necesarios para elcorrecto dimensionamiento de la bomba, donde se consideran, entre otras cosas:Las propiedades del lquido (nombre, composicin, concentracin, temperatura,peso especfico).El caudal del lquido (volumen que se tiene que mover en una unidad de tiempo).Las caractersticas especficas del circuito hidrulico (altura de elevacin, prdidasde carga, accesorios de la instalacin).El clculo de tales informaciones (no las nicas, pero s las ms importantes) permitirdeterminar cul es la bomba correcta (segn material y tipo), el rodete adecuado y laexacta potencia del motor (en relacin con la curva caracterstica). Tambin para lacorrecta eleccin de una bomba se deben analizar varios factores tales como:Composicin del lquido: Es fundamental en la eleccin de los materialesconstructivos de las distintas partes de la bomba que estn en contacto con el lquido.Mientras ms exactas sean las informaciones sobre la composicin del lquido que sebombea, ms precisas sern las elecciones de los materiales que constituyen laestructura de la bomba, as como las guarniciones y el eventual sellado mecnico. Porejemplo; concentraciones distintas de un mismo cido pueden exigir materialesconstructivos de caractersticas diferentes.Temperaturas de ejercicio: Es importante conocer la temperatura mxima y mnimadebido a que la temperatura del fluido en movimiento acta con efectos importantessobre los materiales es as que a temperaturas muy bajas pueden volver frgil una35

determinada materia plstica, mientras que temperaturas elevadas pueden crearfenmenos de ablandamiento y deformacin de las partes constructivas.1.5.1. ELECCIN DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIN DE LASBOMBASUna atenta eleccin de los materiales de construccin, sean estructurales como desellado y de desgaste, realizada en funcin del tipo de equipo y de los fluidos que setrasladan permiten resolver con seguridad y eficiencia los problemas de bombeo delquidos a riesgo incluso en procesos de trabajo ms complejos.PP (Polipropileno)Caracterizado por buenas propiedades mecnicas, por una amplia resistencia a losagentes qumicos y por una elevada temperatura de ejercicio. No es adecuado para loscidos concentrados fuertemente oxidantes y halgenos (flor, cloro, bromo, yodo).Temperatura mxima de ejercicio 90C.PVC (Cloruro de polivinilo)Material muy usado en instalaciones, resistente a los cidos, bases, soluciones salinas ycompuestos orgnicos. No es apropiado para hidrocarburos aromticos y clorurados.Temperatura mxima de ejercicio 45C.36

EPDM (Goma etilo-proplica)Elastmero de alto mdulo elstico, buena resistencia a los cidos, bases, alcoholes ycetonas. No se aconseja para hidrocarburos, aceites y grasas. Temperatura mxima deejercicio: 90C.1.5.2. ECUACIONES PRINCIPALES PARA EL DIMENSIONAMIENTO DELA BOMBAVelocidadv = Velocidad (m/s)Q = Caudal (m3/s) = DimetroCaudalQ = CaudalA = reav = VelocidadFlujo msicoW = Flujo msico37

= densidadEcuacin de Bernoullihf = Prdidas de energaH = Carga total del dispositivo = Peso especificoNmero de Reynolds = Densidad =Viscosidadv = VelocidadRugosidad relativaCoeficiente de rugosidadPrdidas por friccinf = Coeficiente de friccin38

L = Longitud de la tuberaPrdidas por accesoriosk = Constante de los accesoriosPrdidas de EnergaPotenciaP = Potencia = Eficiencia (7)1.6.ROTMETROSEs un medidor de caudal en tuberas de rea variable, de cada de presin constante. Elrotmetro consiste de un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubovertical ligeramente cnico, con el extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por laparte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el rea anular entre l y lapared del tubo sea tal, que la cada de presin de este estrechamiento sea losuficientemente para equilibrar el peso del flotador. El tubo es de vidrio y lleva grabadouna escala lineal, sobre la cual la posicin del flotador indica el gasto o caudal.39

Los rotmetros, flow meters del tipo rea variable, son instrumentos diseados para lamedicin y control de caudales, gases y lquidos. Se fabrican caudalmetros desde 1ml/h hasta 1000000 ml/min. La unidad de lectura vendr especificada en la unidad depreferencia del usuario (l/h, g/min, m3/h, lbm/min, etc.), es decir, lectura directa decaudal.Rangos operacionales disponibles: desde 0.5 l/h de agua (0.01 m3/h de aire), paratuberas de dimetro 1/4" NPT, hasta 100000 l/h de agua (3000 m3/h de aire) paratuberas de dimetro 4". Para dimetros de tubera mayores de 3", caudales hasta10000000 ml/min, se usar el medidor de flujo de tipo rea variable modelo "pushbottom".Figura 1.6-1. Rotmetros40

Un rotmetro consta de los siguientes elementos un tubo medidor del tipo prex que estprotegido por una carcasa protectora de acero inoxidable calidad 316, un flotadormedidor se desplaza verticalmente a lo largo de una varilla gua, razn por la cualpueden ser utilizados para medir fluidos de una alta viscosidad.Para la construccin de los rotmetros los materiales ms usados son:Tubo medidor en vidrio boro silicato tipo prex.Conectores y partes internas en acero inoxidable 316.7.O-rines y empaques en tefln.La longitud de la escala medidora se ofrece en variados tamaos: 230 mm, 330mm, 100 mm, etc.La precisin es del 2% en full escala.1.6.1. VENTAJASEs econmico para caudales bajos y tuberas con dimetros menores a 2.Cubre un rango amplio de caudales.Sirve para lquidos y gases.Provee una informacin visual directa.La cada de presin es baja.Instalacin y mantenimiento simple.1.6.2. DESVENTAJASNo es sencillo ni econmico obtener seal elctrica a partir de la indicacin.Se incrementa mucho su costo para tuberas de dimetro grande.No se consiguen rotmetros para tuberas grandes.41

Debe instalarse en sentido vertical de modo que el caudal sea ascendente.Son de baja precisin.42

CAPTULO IIPARTEEXPERIMENTAL43

2.PARTE EXPERIMETALComo el presente trabajo es el diseo y construccin de un reactor continuo e mezclacompleta a nivel de laboratorio, entonces se efectuaron una serie de variaciones en losparmetros establecidos en literatura, para poder lograr la temperatura apropiada para elexperimento se emplear como fuente de energa una niquelina que estar regulada porun termostato que har que la temperatura se mantenga controlada; una agitacinperfecta que nos permitir lograr una mezcla completa; y medidores de flujo que nospermitirn mantener un caudal continuo y constante de los reactivos que intervienen enla reaccin.2.1.MTODOSEl presente estudio de investigacin utiliz la aplicacin tanto terica comoexperimental para obtener la mejor metodologa en respuesta a las posiblesinterrogantes que se puedan presentar en el transcurso de la realizacin de la prctica delaboratorio para verificar el correcto funcionamiento del reactor de mezcla completa.2.1.1. DEDUCTIVOA base de diferentes estudios ya realizados a nivel nacional en la Escuela SuperiorPolitcnica del Litoral y a nivel internacional en pases del primer mundo comoAlemania e Inglaterra, se ha credo conveniente crear un equipo que permita a losestudiantes de la carrera de Ingeniera Qumica a nivel mundial realizar estudios en ellaboratorio de procesos continuos en donde puedan aprender la ctedra Ingeniera delas Reacciones Qumicas de una manera no solamente terica sino tambin prctica.44

Adems se establecer fundamentos de estudios como transferencia de calor, fluidos, eIngeniera de Reacciones como materia fundamental para el diseo y construccin denuestro reactor, cuya aplicacin nos permitir resolver los problemas ms frecuentesdurante el transcurso del presente estudio; lo cual nos facilitara un mejordimensionamiento del equipo.2.1.2. EXPERIMENTALA nivel de laboratorio los mtodos utilizados dentro de esta investigacin son:Determinacin de la densidad utilizando mtodos empleados en el laboratorio.Determinacin de la viscosidad de los compuestos a utilizarse para realizar eldimensionamiento del reactor.2.2.TCNICASExisten varias tcnicas para la investigacin facilitndonos su desarrollo y elcumplimiento de nuestro objetivo.A continuacin se explicara la tcnica utilizada para llevar a cabo la demostracin delfuncionamiento del equipo.2.3.TCNICAUTILIZADAPARALADEMOSTRACINDELFUNCIONAMIENTO DE UN REACTOR CONTINUO DE MEZCLACOMPLETAPara verificar el funcionamiento del equipo se decidi escoger dos reactivos comunesen nuestro medio, y que se encuentran en stock en la bodega de la Facultad de Cienciasestos son el hidrxido de sodio y el acetato de etilo que se conjugaran para dar comoproducto de la reaccin qumica el acetato de sodio y el etanol.45

CH3COOCH2CH3 + NaOH CH3COONa + C2H5OHEn la mayora de los procesos qumicos industriales el reactor constituye una piezaclave del equipamiento donde se realiza el proceso. El diseo de los reactores qumicosy la compresin de los factores (caudal de los reactivos, temperatura, geometra, etc.)que afectan al funcionamiento del reactor, es crucial para el xito de una operacinindustrial.Una de las caractersticas principales del reactor de mezcla completa radica en que elmezclado es muy eficiente las propiedades de la mezcla reaccionante sern uniformesen todas las secciones del recipiente, tales como la concentracin y la temperatura. Laeficiencia del mezclado indica si la composicin y temperatura en cualquier punto delvolumen del reactor, son iguales a la composicin y temperatura de la corriente desalida (9)2.3.1. DETERMINACIN DE LA CONSTANTE CINTICA PARA UNAREACCIN DE SAPONIFICACIN EN UN REACTOR DE MEZCLACOMPLETA2.3.1.1. MATERIALES Y REACTIVOS2.3.1.1.1. MATERIALES1 reactor de mezcla completa.1 pipeta graduada de 10 ml.1 vaso de precipitacin de 1000 ml.2 matraces volumtricos de 1000 ml.3 vasos de precipitacin de 250 ml.46

Cronmetro.Esptula.2.3.1.1.2. REACTIVOSHidrxido de sodio.Acetato de etilo.2.3.1.2. PROCEDIMIENTOPreparar 3 litros de hidrxido sdico 0.1 M y 3 litros de acetato de etilo 0.1 M.Llenar cuidadosamente los depsitos de reactivos hasta unos 5 cm del borde.Utilizando la escala de rotmetro ajustar para que el caudal de alimentacin decada uno de los reactivos sea de 40 ml/min.Ajustar a continuacin la temperatura del controlador ubicado en el interior delreactor a 25C.Conectar la unidad de circulacin de agua, las bombas, el agitador y poner elcronmetro en marcha. Seguir el proceso mediante el registro manual de laconductividad a intervalos de 5 minutos. La toma de datos se realizar hastaalcanzar el estado estacionario (30 minutos) aunque es aconsejable tomar datosdurante 45 minutos aproximadamente.De los valores de conductividad correspondiente al estado estacionario y mediantela aplicacin de un balance de materia al reactor continuo tipo tanque agitado, seobtiene el valor de la constante de velocidad a esa temperatura.47

2.4.PREPARACIN DE LA SOLUCIONESTABLA 2.4-1. PREPARACIN DE LAS SOLUCIONES DE HIDRXIDO DE SODIO A DIVERSAS CONCENTRACIONESPARA REALIZAR LA CURVA DE CALIBRACINFUNDAMENTOUna solucin es una mezcla homognea dedos o ms sustancias. La sustancia disueltase denomina soluto y est presentegeneralmente en pequea cantidad enpequea cantidad en comparacin con lasustancia donde se disuelve denominadasolvente. En cualquier discusin desoluciones, el primer requisito consiste enpoder especificar sus composiciones, estoes, las cantidades relativas de los diversoscomponentes.La concentracin de una solucin expresala relacin de la cantidad de soluto a lacantidad de solvente.MATERIALESBalanza4 Balones aforados de100 ml1 vaso de precipitacinde 500 mlAguaHidrxido de sodioTCNICAPese los gramos de NaOH segnel clculo realizado para 0.05M;0.1 M; 0.15 M y 0.2 M.Colocar la cantidad pesada en elbaln aforado de 100 ml.Aforar el baln hasta la marcaindicada con agua.Realizar el mismo procedimientopara cada una de las cuatroconcentraciones mencionadas enel primer tem.Donde:CLCULOC = Concentracin a la cualqueremos la solucin (mol/l)PM = Peso molecular delhidrxido de sodioV = Volumen del baln aforado

TABLA 2.4-2. PREPARACIN DE LOS REACTIVOS (HIDRXIDO DE SODIO Y ACETATO DE ETILO)FUNDAMENTOUna solucin es una mezcla homognea dedos o ms sustancias. La sustancia disueltase denomina soluto y est presentegeneralmente en pequea cantidad encomparacin con la sustancia donde sedisuelve denominada solvente. Encualquier discusin de soluciones, elprimer requisito consiste en poderespecificar sus composiciones, esto es, lascantidades relativas de los diversoscomponentes.La concentracin de una solucin expresala relacin de la cantidad de soluto a lacantidad de solvente.Realizar el mismo procedimientopara cada una de los reactivos.V = Volumen del baln aforadoAforar el baln hasta la marcaindicada con agua.PM = Peso molecularMATERIALESBalanza2 Balones aforados de1000 ml1 vaso de precipitacinde 1000 mlHidrxido de sodioAcetato de etiloAguaColocar la cantidad pesada en elbaln aforado de 1000 ml.g = gramos de reactivos quedebemos de pesar para obteneruna solucin 0.1 MTCNICAPese los gramos de NaOH oAcetato de etilo segn el clculorealizado para tener 3 litros decada uno de los reactivos antesmencionados.Donde:CLCULO49

2.5.DETERMINACIN DE LAS PROPIEDADES FSICAS DE LAS SOLUCIONES DE HIDRXIDO DE SODIO YACETATO DE ETILOTABLA 2.5-1. DETERMINACIN DE LA DENSIDAD DE LOS REACTIVOSFUNDAMENTOLa densidad de los lquidos semide de una manera similar acomo se mide la densidad de los Picnmetro de 10slidos,ennuestroselmtodocasodelProbeta de 25 mldeterminarfluido,unfluidolaendeColocar el picnmetro en la balanza yanotar su peso (P2).Aadir la solucin de hidrxido de sodioal picnmetro y taparlo.mlColocar el picnmetro vacio en la balanzay anotar su peso (P1).Donde:MATERIALESBalanzaTCNICATomar ml de la solucin de hidrxido desodio 0.1 M en la probeta.CLCULOutilizaremospicnmetroEstepermitedensidadreferenciadelad = densidad (g/ml)densidad conocida como elagua, Este mtodo nos sirvepara medir fluido no muyviscososP1 = Peso del picnmetro vacio (g)P2 = Peso del picnmetro con lasolucinRealizar la diferencia de pesos y dividirpor la capacidad del picnmetro.Vp = Volumen del Picnmetro50

TABLA 2.5-2. DETERMINACIN DE LA VISCOSIDAD DEL HIDRXIDO DE SODIO Y EL ACETATO DE ETILOFUNDAMENTOMATERIALESTCNICAColocar la esfera metlica en la balanzay anotar su peso.Esfera MetlicaDeterminar el dimetro de la esferametlica con el calibrador pie de reyCronmetroAadir agua (50 ml) a la probeta eintroducir la esfera y observar elFlexmetroaumento de volumen de la probeta.Aadir (50 ml) de la solucin de acetatog = gravedad (m/s2) = viscosidad dinmica (g/cm.s)Donde:CLCULOLa medida de la viscosidad de un fluido Probeta de 100 mlrepresenta la resistencia que presentan alfluir.Antes de ejecutar la medida se debe realizaralgunas medidas adicionales con distintosinstrumentos.El dimetro de un bola que tiene formaesfrica con un calibre o con un micrmetroEmplearunaprobetadevolumen Calibrador pie de de etilo 0.1 M a la probeta y con elreyflexmetro determinar la distancia arecorrer.BalanzaIntroducir la esfera a la probeta y con uncronmetro determinar el tiempo que sedemora en recorrer la esfera unadistancia de la probeta.Repetir el mismo procedimiento variasveces hasta obtener un valor constante.especificado.Finalmente con un cronmetro se mide eltiempo que tarda la pequea esfera enrecorrer una distancia dada en el interior dela probeta vertical que contiene el fluido.d = densidad del slido y el liquido(g/ml)r = radio de la esfera metlica51

2.6.DATOS EXPERIMENTALES2.6.1. PRUEBAS PRELIMINARESMediante la realizacin de la prctica de laboratorio con la tcnica utilizada podemosdeterminar de manera experimental la constante de velocidad de la reaccin entre elacetato de etilo y el hidrxido de sodio en un reactor continuo de mezcla completa aescala laboratorio.Se escogi la reaccin de saponificacin del acetato de etilo con el hidrxido de sodioporque es sencilla y comprendida por todos nosotros, a ms que son reactivos muycomunes que se encuentran a disposicin de los estudiantes.Adems con la realizacin de la experimentacin se determinaron las variables msadecuadas para el funcionamiento ptimo del reactor continuo de mezcla completacuya funcin principal es la de realizar prcticas de laboratorio.Estamos consientes que cualquier estudiante de la carrera puede realizar estaexperimentacin debido a que se trata de un proceso simple y de gran utilidad paracomplementarlo con la teora impartida en la ctedra de Ingeniera de ReaccionesQumicas.

2.7.DATOS ADICIONALESTABLA 2.7-1. DATOS ADICIONALES DE LA CAPACIDAD CALORFICADEL LOS REACTIVOS Y PRODUCTOS UTILIZADOS EN LA PRACTICACARACTERSTICACapacidad calorfica del NaOHCapacidad calorfica del acetato deJ/mol KetiloCapacidad calorfica del acetato deJ/mol KsodioCapacidad calorfica del etanolJ/mol KUNIDADJ/mol KVALORPERRY Robert H, Manual del ingeniero qumico Volumen IV, 6ta edicin, Editorial Mc-Graw Hill 2001.Madrid EspaaTABLA 2.7-2. DATOS ADICIONALES PARA LA DETERMINACIN DE LATRANSFERENCIA DE CALORCARACTERSTICAConductividad Trmica del aceroJ/m2s KInoxidablePERRY Robert H, Manual del ingeniero qumico Volumen IV, 6ta edicin, Editorial Mc-Graw Hill 2001.Madrid EspaaUNIDADVALOR50.253

CAPTULO IIIDISEO YCONSTRUCCIN54

3.DISEOYCONSTRUCCINDELREACTORDEMEZCLACOMPLETA3.1.CLCULO PARA EL DISEO DEL REACTOR3.1.1. CLCULO DEL VOLUMEN DEL CILINDRO DEL REACTORSe escoge este dimetro referencial (16 cm) porque nos permite obtener el volumenrequerido de 3 litros.La altura del reactor se le incrementa 4cm como factor de seguridad del 0.25 y para losensambles con la cmara de calefaccin y la tapa.55

3.1.2. CLCULO DEL VOLUMEN DEL REACTORDonde V2 es el volumen del asiento redondeado.3.1.3. CLCULO DEL DIMETRO DE LA CMARA DE CALEFACCINPor consideraciones de diseo, el dimetro de la cmara de calefaccin es 5 cm msgrande que el del reactor, es decir 2.5 cm a cada lado.Esto es:3.1.4. CLCULO DE LA ALTURA DE LA CMARA DE CALEFACCINPor consideraciones de diseo, la altura de la cmara de calefaccin es 2.5 cm msgrande que la del reactor.Esto es:56

3.1.5. CLCULO DEL VOLUMEN DEL CILINDRO DE LA CMARA DECALEFACCIN3.1.6. CLCULO DEL VOLUMEN DE LA CMARA DE CALEFACCIN3.2.CLCULOS PARA EL SISTEMA DE AGITACIN3.2.1. CLCULO DEL DIMETRO DEL RODETE57

3.2.2. CLCULO DE LA ALTURA DEL RODETE3.2.3. CLCULO DEL ANCHO DE LOS DEFLECTORES3.2.4. CLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LAS PALETAS58

3.2.4.1. CLCULO DE LA ALTURA DE LA PALETA3.2.4.2. CLCULO DEL ANCHO DE LA PALETA3.2.5. CLCULO DE LA POTENCIA PARA ACCIONAR EL RODETE3.2.5.1. CLCULO DE NMERO DE REYNOLDS59

Donde:Dt2 = dimetro del reactorN = nmero de revoluciones por segundo= viscosidad de la mezcla fluido (Pa.s) = densidad de la mezcla (kg/m3)Para lo cual:N = 2 rps3.2.5.2. CLCULO DE LA DENSIDAD Y VISCOSIDAD DE LA MEZCLAPara el clculo de la densidad y viscosidad de la mezcla se obtuvieron los datosexperimentales de densidad y viscosidad de los reactivos hidrxido de sodio y acetatode etilo.ydel acetato de etilo 0.1 M a 25 C = 980.25 kg/m3= 0.44*10-3 Pa . sydel hidrxido de sodio 0.1 M a 25 C = 984.51 kg/m3= 0.51*10-3 Pa . s3.2.5.2.1.DETERMINACIN DE LA DENSIDAD DE LA MEZCLAmezcla =(xA* NaOH)+(xB* ACET)mezcla =(0.5*980.25 kg/m3)+(0.5*984.51 kg/m3)mezcla = 982.38 kg/m360

Donde:xA = Fraccin Molar del hidrxido de sodioxB = Fraccin Molar del acetato de etilo3.2.5.2.2.DETERMINACIN DE LA VISCOSIDAD DE MEZCLAReemplazando tenemos:3.2.5.3. CLCULO DE LA POTENCIA DEL AGITADORDespejando tenemos:61

Donde:NP = Nmero de potenciaP = PotenciaPor medio de la grfica de correlaciones de potencia para rodetes especficos tomandoen cuenta la curva C que corresponde a palas verticales con S4 = 0.25 (ANEXO II)Geankoplis C J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias, se obtiene el nmerode potencia Np con un valor de:0.8Reemplazando tenemos:3.3.CLCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALORLas correlaciones de transferencia de calor para soluciones agitadas en el interior de unrecipiente y las paredes de la chaqueta viene dado por:Donde:U= Coeficiente de transferencia de calor (J/ sm2 K)= Dimetro interno del tanque (m)k= Conductividad Trmica (J/ms K)62

Nre = Nmero de Reynolds= Dimetro del agitador (m)N = Velocidad Rotacional (rpm)= densidad del fluido (kg/m3)= viscosidad del fluido (Pa.s)Np = Nmero de PrandtlCp = Capacidad Calorficaw = Viscosidad del fluido a temperatura de la pareda,b,m = Constantes segn el tipo de agitadorEl nmero de Reynolds obtenido en el literal 3.2.5.2 es de:Calculamos el nmero de Prandtl:La Capacidad Calorfica a utilizar es de:CpNaOH= 1430.25 J/kg KLa conductividad trmica del acero inoxidable es:k = 50.2 J/ms KEntonces63

Las constantes a, b, m son determinadas de acuerdo al tipo de paletas escogidas estasson segn Chopey N P, Handbook of Chemical Engineering Calculations, ThirdEdition, 2006 Pp 275:a=0.62b= 2/3m=0.14Reemplazando en la frmula original tenemos:3.4.CLCULO DE LA DIFERENCIA DE LA TEMPERATURA MEDIALOGARTMICAPara realizar el clculo de la diferencia de la temperatura media logaritmica nosbasamos en la figura 1.4.4-1 de la distribucion de temperaturas en un intercambiador dedoble tubo y y los resultados de los clculos fueron los siguientes:64

18.97 C o 291.97 K3.5.CLCULO DEL FLUJO DE CALOR3.6.CLCULO DEL REA DE TRANSFERENCIA DE CALOR65

3.7.Datos:DIMENSIONAMIENTO SISTEMA DE BOMBEOQ = 40 ml/min = 6.67*10-7 m3/sT = 20 C= 984.51 kg/ m3 = 0.51*10-3 kg/ms = 3/8 pulg = 9.525*10-3 mz = 0.10 m3.7.1. VELOCIDAD3.7.2. NMERO DE REYNOLDS66

Rgimen laminar de los reactivos3.7.3. CLCULO DE FACTOR DE FRICCIN FANNING3.7.4. PRDIDAS POR FRICCIN3.7.5. PRDIDAS POR ACCESORIOS67

k = Constante de los accesorios3.7.6. PRDIDAS DE ENERGA3.7.7. ECUACIN DE BERNOULLIDonde:H = Carga total del dispositivo3.7.8. FLUJO MSICO68

Donde:W = Flujo msico3.7.9. POTENCIADonde:P = Potencia3.8.BALANCE DE MASA Y ENERGAPara la obtencin de los modelos matemticos que se van a usar, partimos de losconocimientos bsicos de ingeniera y de reactores, como lo son balances de materia yenerga.Con la finalidad de simplificar el modelo se han hecho algunas suposiciones:Se asume que la agitacin es perfecta, por tanto la concentracin, presin, ytemperatura son iguales en cualquier punto del tanque, as como en la corriente desalidaSe asume que no hay prdidas de calor hacia el ambienteNo se considera como objeto de control el sistema de agitacinQue la temperatura de los materiales al interior del reactor son las mismas a las delos productos que estn saliendo del reactor.69

El flujo de salida de productos es igual al flujo de entrada de material reactante.Figura 3.8-1. Esquema del reactor principal3.8.1. BALANCE DE MASAEl balance de masa referido al reactivo limitante A de hidrxido de sodio en un reactorcontinuo de tanque agitado, puede expresarse a travs del siguiente esquema:Velocidad dealimentacinde A al reactor-Velocidad desalida de A delreactor-Velocidad deconsume de Aen el reactor=Velocidad deacumulacin deA en el reactorMatemticamente puede expresarse mediante la siguiente expresin:QCA0 QCA V (-rA) = 0Ec.3.8.1-1As, para la siguiente reaccin:aA + bB cC + dD70

Entonces la velocidad de reaccin con respecto al reactivo A se representa como semuestra a continuacin: y representan a los rdenes de reaccin con respecto a A y B respectivamente.La reaccin es la saponificacin del acetato de etilo e hidrxido de sodio la cual semuestra a continuacinNaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa + C2H5OHEsta reaccin se puede considerar de primer orden con respecto al hidrxido de sodio yal acetato de etilo y de segundo orden con respecto a los reactivos en conjunto con unaconcentracin de 0.1 M de cada uno de los reactivos y una temperatura entre 20 y 40C.Para poder hallar la concentracin del hidrxido de sodio CA se utilizaron lascorrelaciones a partir de las lecturas de la conductividad y la conversin para ello sedebe construir una curva de calibracin de Concentracin vs Conductividad para ello sepreparan 3 soluciones a 0.1 M, 0.05 M y 0.025 M de NaOH en 100ml de cada una ymedir sus conductividades. Para ello el conductmetro debe estar debidamentecalibrado.71

CA0CA1CAFigura 3.8.1-1. Concentracin Vs. conductividad del NaOHPara conocer cualquier valor interpolado a partir de la figura 3.8.1-1 se planteara lasiguiente relacin lineal utilizando como referencia dos puntos conocidos () y() entonces:Es por ello que para la reaccin propuesta se cumple:Agrupando trminos se obtiene la siguiente ecuacin que permite conocer laconcentracin del NaOH a cualquier conductividad ( ) a partir de la siguienteexpresin.72

Adems la conversin del hidrxido de sodio puede ser conocida con la relacin:Suponiendo que la reaccin es completa y que todo lo que entra al reactor reacciona laconcentracin del NaOH para un tiempo infinitoser considerada como 0, por loque en un tiempo muy largo las lecturas de conductividad solo correspondern alacetato de etilo.3.8.1.1. CONSTANTE DE VELOCIDAD ASUMIENDO EL REACTOR COMOIDEALPara los clculos se utilizaran los datos cinticos encontrados en la literatura(10)Ec. 3.8.1.1-1Tomando un promedia para la temperatura de salida del reactor:Reemplazando T en la ecuacin 3.8.1.1-1 obtenemos73

3.8.1.2. CLCULO DE LA CONSTANTE CINTICA DE LA REACCINQUMICAA partir de la ecuacin 3.8.1-1 se hall la constante cintica real de reaccin.3.8.1.3. CLCULO DE LA CONCENTRACIN FINAL DEL HIDRXIDO DESODIO.CA0 = 0.1 mol/litroCA= Concentracin de hidrxido de sodio a la salida del reactor que se calcula a partirde la curva de calibracin.74

Figura 3.8.1.3-1. Grfica de la concentracin Vs la conductividad del hidrxido desodio a distintas concentracionesDonde:m = Pendiente =que se calcula a partir de la figura 3.8.1.3-1.Entonces:mol/l3.8.1.4. CLCULO DE LA CONVERSIN DEL HIDRXIDO DE SODIO75

3.8.1.5. CLCULO DEL TIEMPO ESPACIAL3.8.1.6. CLCULO DE LAS CANTIDADES DE PRODUCTOS OBTENIDOSAdems con una alimentacin de 40 ml/min de hidrxido de sodio y 40ml/min deacetato de etilo flujos con los cuales se trabajo para realizar las pruebas de laboratorioque fueron encontrados en la literatura se obtuvieron los siguientes resultados.Para lo cual:NaOH = 984.51 kg/m3Entonces:Donde:= Hidrxido de sodio76

= Acetato de Sodio= EtanolEste clculo ser utilizado posteriormente en el balance de energa para determinar elvolumen necesario de vapor suministrado para obtener la temperatura adecuada paraque se produzca la reaccin qumica.3.8.2. BALANCE DE ENERGAPara un proceso continuo en estado estacionario (acumulacin = 0) el balance deenerga en el que los reactivos y productos salen en el estado estndar (25C y 1 atm)como lo es del caso y suponiendo que entran cantidades estequiomtricas de losreactivos y reaccionan por completo, los trminos de calor sensible son cero y elbalance de energa se reduce a Q = AH dondees el smbolo que se usa para loque se denomina calor de reaccin en el estado estndar.nA AReactivosnB BT1T2T3NC CProductosND DReaccin en el reactor a T W=0T4Figura 3.8.2-1. Balance de energa con reaccin qumica3.8.2.1. CLCULO DEL CALOR DE REACCINEn el caso especial de un proceso continuo en estado estacionario (acumulacin = 0) enel que los reactivos y productos salen en el estado estndar (25C y 1atm) y en el queentran cantidades estequiomtricas de los reactivos y reaccionan por completo, los77

trminos de calor sensible son cero y el balance de energa se reduce a Q = H donde:(11)Podemos comprobar que la reaccin es exotrmica, es decir que libera energa o calor.3.8.2.2. CLCULO DE LA CANTIDAD DE AGUA NECESARIA PARA QUE SED LA REACCIN QUMICA78

Donde:V = Flujo msico de agua= Calor latente de vapor a una temperatura de 44 CC y D = Flujo msico del acetato de sodio y el etanol respectivamente= Entalpia del acetato de sodio= Entalpia del etanol= Calor latente de vapor a una temperatura de 39 CEl calor latente de agua que se va a su ministrar al reactor es:Para una Temperatura de 44 C tenemos segn el Anexo III:)Tericamente tenemos una temperatura de salida de vapor a 39 C en las tablas de vaporsaturado de:79

167.57)2406.73Considerando que segn la tabla 3-181 de libro de PERRY Robert H, Manual delingeniero qumico, 6ta edicin:1.091.41Entonces:80

3.9.RESULTADOSTABLA 3.9-1. ANLISIS FSICOS DEL HIDRXIDO DE SODIO (0.1 M)DETERMINACINDENSIDADVISCOSIDADUNIDADESkg/m3Pa . sRESULTADOS = 984.51= 0.51*10-3TABLA 3.9-2. ANLISIS FSICOS DEL ACETATO DE ETILO (0.1 M)DETERMINACINDENSIDADVISCOSIDADUNIDADESkg/m3Pa . sRESULTADOS = 980.25= 0.44*10-3TABLA 3.9-3. CONDUCTIVIDADES A LAS DIFERENTESCONCENTRACIONES DEL HIDRXIDO DE SODIODETERMINACINCONCENTRACIN (M)0.030.050.10.150.2UNIDADESms/cmms/cmms/cmms/cmms/cmRESULTADOS56.675.4154.7239303TABLA 3.9-4. CONDICIONES INICILES DE OPERACIN DEL SISTEMAPARA CADA CORRIENTE DE ENTRADADETERMINACINTEMPERATURAFLUJO VOLUMTRICOCONCENTRACINUNIDADESCml/minmol/lRESULTADOS25400.181

TABLA 3.9-5. RESULTADOS FINALES DE LA CONVERSIN Y LACONSTANTE DE VELOCIDAD DE LA REACCIN EN FUNCIN DELHIDRXIDO DE SODIODETERMINACINCONVERSINCONCENTRACIN FINALDEL REACTIVOCONSTANTE DEVELOCIDAD DE LAREACCIN QUMICA2.38UNIDADES%mol/lRESULTADOS790.0213.9.1. DIMENSIONAMIENTO DEL REACTORTABLA 3.9.1-1. DIMENSIONAMIENTO DEL REACTORDESCRIPCINVARIABLECAMARA DE EBULLICINVolumenAltura (H)Dimetro (Dt)Ancho de Deflectores (J)3216.9920161.3cm3cmcmcmcm3cmcmINDICADORCAMARA DE CALEFACCINVolumenAlturaDimetro3190.6818.521SISTEMA DE AGITACIONDistancia entre el Fondo y el rodete (E)Dimetro del Rodete (Da)Alto de la Paleta (W)Ancho de la Paleta (L)5.55.51.11.4cmcmcmcm82

3.10.ANLISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOSPara la demostracin del correcto funcionamiento del equipo en el interior del reactorqumico se desarrollar una reaccin de saponificacin, que son aquellas en las queinterviene un acido graso (o un lpido saponificable, portador de residuos de cidosgrasos) y una base o alcalino, en la que se obtiene como principal producto la sal dedicho cido y de dicha base. Por ejemplo, los jabones son sales de cidos grasos ymetales alcalinos que se obtienen mediante este proceso.Para que la reaccin transcurra normalmente, se debe procurar mantener la temperaturadentro del reactor alrededor de 23C y 40C (296 a 313 K) en donde mediante datosobtenidos en la literatura y mediante las pruebas realizadas se logro determinar un valorde la temperatura de 25 C (298 K) una concentracin de 0.1 M y un flujo continuo de40 ml/min de de cada unos de los reactivos utilizados.Con estas concentraciones, temperatura, flujo de entrada y tiempo de residencia de 38minutos aproximadamente se logro obtener un conversin de 79% del reactivo limitanteque es el hidrxido de sodio con una concentracin final de 0.021mol/l y una constantede velocidad de 2.38.83

3.11. REQUERIMIENTOS PRESUPUESTARIO3.11.1. RECURSOS HUMANOSTABLA 3.11.1-1. RECURSOS HUMANOSCOSTO(dlares)400.00150.00550.00DENOMINACIN Mano de Obra para la construccin del equipoMano de obra para la conexiones del Sistema Elctrico TOTALFuente: Mnica Bayas, Cristian Nez3.11.2. RECURSOS MATERIALESTABLA 3.11.2-1. RECURSOS MATERIALESCOSTO(dlares)80.00200.00 1538350.002168.00DENOMINACIN Materiales y Suministros de Oficina Reactivos para pruebas de LaboratorioMateriales para la construccin de Equipo (Anexo IV) Varios TOTALFuente: Mnica Bayas, Cristian Nez3.11.3. RECURSOS TOTALESTABLA 3.11.3-1. RECURSOS TOTALESDENOMINACINRecursos HumanosRecursos Materiales Subtotal Imprevistos 10% TOTALFuente: Mnica Bayas, Cristian NezCOSTO(dlares) 550.00 2168.00 2718.00 271.80 2989.8084

CAPTULO IVCONCLUSIONES YRECOMENDACIONES85

4.4.1.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESCONCLUSIONESSe efectu el diseo y construccin de un reactor de mezcla completa en aceroinoxidable por su resistencia a la corrosin que tiene con un volumen de 3 litros yuna agitacin de 240 rpm.Los valores de las variables utilizadas para la prctica son: los flujos de entradade 40 ml/min con una concentracin de 0.1 M de hidrxido de sodio y 40 ml/mincon una concentracin de 0.1 M de acetato de etilo.Se comprob que la reaccin entre el acetato de etilo y el hidrxido de sodio esexotrmica porque el valor del calor de reaccin obtenido es de -75443.4 J/mol.Se obtuvo una conversin de hidrxido de sodio de 0.79, una concentracin finalde 0.021 mol/l y una constante de velocidad de 2.3funcionamiento del reactor de mezcla completa.El grado de concentracin del reactivo disminuye a medida que la conductividadde la solucin disminuye, es decir son directamente proporcionales.Tambin al analizar los tiempos de residencia no podemos asegurar que todas lasmolculas de fluido hayan permanecido este tiempo reportado por igual, esto noslleva a concluir que trabajamos en un reactor real.Se determino que dentro del reactor el rgimen de flujo es turbulento debido a quese obtuvo un nmero de Reynolds de.lo que demuestra elEn nuestro desempeo como ingenieros creo que esta prctica nos ayudo aentender mejor las caractersticas de un reactor de mezcla completa, adems quese pudo comprobar que no se trabaja en reactores ideales como dice la teora sino86

en reactores reales esta hiptesis se puede evidenciar comparando la constante dela velocidad de la teora con la constate de velocidad encontrada en la prctica.4.2.RECOMENDACIONESSe recomienda utilizar de inmediato el hidrxido de sodio para preparar lassoluciones adems de un almacenamiento adecuado del reactivo debido a que esuna sustancia hidrfila.Se recomienda que al preparar las soluciones a utilizar se lo realice con el equipode seguridad industrial adecuado, debido a que las sustancias qumicas son de altogrado de peligrosidad.Para la realizacin de las prcticas de laboratorio en el reactor se recomiendautilizar reactivos de alta pureza para que tenga lugar la reaccin deseada.Para la correcta puesta en marcha y mantenimiento del reactor se deber guiarseen el manual de operacin del equipo.87

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ANEXOS92

ANEXOS IDIAGRAMA DE INGENIERA DEL REACTOR DE MEZCLA COMPLETA

ANEXOS IIGRFICA DE LAS CORRELACIONES DE POTENCIA PARA DIVERSOS IMPULSORES Y DEFLECTORES94

ANEXOS IIIPROPIEDADES DEL AGUA SATURADA

ANEXOS IVREACTOR DE MEZCLA COMPLETA