guiones de practicas

PRACTICA: ESTUDIO DE UN PROCESO DE MEZCLA POR UN METODO
CONDUCTIVIMETRICO
1) OBJETIVOS
a) Obtener datos de calibrado concentración/conductividad para disoluciones de cloruro sódico.
b) Obtener datos experimentales conductividad/tiempo para un sistema experimental simulando un mezclador
perfecto trabajando con caudales constantes en las corrientes de alimentación y de retirada de producto
mezclado.
c) Obtener los datos concentración/tiempo que corresponden a las tablas conductividad/tiempo determinadas
en el apartado anterior.
d) Contrastar los datos experimentales obtenidos en la etapa c) con los correspondientes valores calculados a
través de balances de materia realizados bajo hipótesis de volumen de mezclado constante y bajo hipótesis
de volumen de mezclado variable.
2) DISPOSITIVO EXPERIMENTAL Y TRABAJO A REALIZAR
a) Para la realización del calibrado, se parte de un
Conductivímetro
vaso de precipitados de 100 mL conteniendo un
núcleo magnético y 80 mL de una disolución de NaCl Recipiente
(concentración, 1,25 g /L). El vaso de precipitados se alimentación
coloca en el agitador magnético, y se mide su
conductividad dejando estabilizar la lectura del
conductivímetro. Luego se retira parte de la disolución
(40 mL), y se añade agua (40 mL), se agita, se deja
Bomba peestabilizar la lectura del conductivímetro y se mide la
ristáltica
conductividad. Se repite el procedimiento (retirar 40
Recipiente
mL disolución/ añadir 40 mL agua/ agitar /medir
de mezcla (con
conductividad) hasta tener 4 lecturas. Se repite el
núcleo magnét.)
procedimiento, partiendo de otros 80 mL de disolución
de NaCl 1,25 g/L, pero retirando 20 mL de disolución
y añadiendo 20 mL de agua hasta tener otras 4
lecturas.
Recipiente
b) Para la realización del proceso de mezcla en
Agitador
colector
estado no estacionario, se parte del vaso de
magnético
precipitados de 150 mL (que actúa como recipiente de
mezcla, conteniendo un núcleo magnético), al que se añaden 125 mL (Se puede realizar por pesada, asumiendo una
densidad de 1 g/mL. La cantidad no es necesario que sean 125,00 g, sino una cantidad próxima a este valor, pero sí
perfectamente determinada) de la disolución de NaCl de 1,25 g/L. Se purgan las gomas de la bomba peristáltica,
eliminando en lo posible todas las burbujas de aire. Hecho esto, se dispone el recipiente de alimentación (con cantidad
de agua y peso total conocidos) y el recipiente colector (vacío, de peso conocido) conectados a una bomba peristáltica
como indica la figura. Se pone en marcha el agitador magnético. Se pone a medir el conductivímetro hasta tener una
lectura estable y en un momento dado se ponen en marcha simultáneamente el cronómetro y la bomba (momento en el
que se comienza a alimentar agua y retirar disolución del vaso de precipitados). Se toman lecturas de conductividad 1
vez por minuto durante 30 minutos.
Transcurrido este tiempo, se para la bomba. Se pesa el recipiente de alimentación con la cantidad de agua remanente, el
recipiente colector con la cantidad de disolución trasvasada, y el recipiente de mezcla con la cantidad de disolución que
contenga (Lo que permite calcular los caudales de entrada y de salida al recipiente de mezcla, y comprobar los balances
de materia. Tener cuidado de parar la bomba en el tiempo justo)
A continuación, se hace un nuevo experimento cambiando los canales de la bomba (El que antes era de alimentación
pasa a ser colector y viceversa) y se repite otra vez todo el procedimiento anterior (llenado con agua del recipiente
colector y pesado del recipiente lleno; vaciado y secado del recipiente colector; vaciado del recipiente de mezcla y
pipeteado en él de 125 mL (o alternativamente, pesada de una cantidad similar) de la disolución original; purgado de
gomas; colocación del conductivímetro; obtención de lecturas conductividad tiempo, pesado de recipiente colector y de
recipiente de alimentación, etc.).
3) DESARROLLO TEORICO Y TRATAMIENTO DE DATOS
3.a) Obtención de la recta de calibrado
Los datos de las concentraciones de las disoluciones de NaCl obtenidas en el proceso de calibrado se calculan partiendo
del dato de la concentración inicial (1,25 g/L) teniendo en cuenta la dilución resultante al retirar disolución y añadir
agua. Los datos concentración/conductividad se ajustan a una expresión lineal o linealizable, de modo que para
cualquier conductividad pueda calcularse la correspondiente concentración. Los datos experimentales y la recta de
ajuste se representan gráficamente.
3.b) Balances de materia en estado no estacionario
Definición de variables:
: caudal volumétrico, cm3/s. (e, caudal de entrada; s caudal de salida; m caudal medio, calculado como la
media aritmética de los caudales de entrada y salida).
: densidad total de las disoluciones de NaCl y del agua (consideradas constantes e igual a 1 g/mL)
e; s: concentraciones en las disoluciones de entrada o salida, g/L (densidades parciales respecto al
componente).
s0: concentración inicial en la disolución, g/L (densidad parcial).
V: Volumen de líquido del sistema de mezcla, cm3
V0: Volumen inicial de líquido en sistema de mezcla.
t: tiempo, min
Fundamentos teóricos:
3.b.1) Hipótesis: (caudal entrada)=(caudal salida)=(caudal medio); lo que equivale a decir que V=cte=V0
3.b.1.1) Balance de materia total :
e. - s. = d(V0. )/dt = 0 ==> e = s = m
3.b.1.2) Balance de materia al electrolito, bajo la hipótesis de que (caudal entrada)=(caudal salida)=(caudal
medio):
e.e - s.s = d(V0. s)/dt ==> m.(e - s) = V0.d(s)/dt.
Dado que e=0, integrando,
s= s0. exp(-m.t/V0)
(ecuación A)
3.b.2) Hipótesis: (caudal entrada)  (caudal salida); lo que equivale a decir que V  cte:
3.b.2.1) Balance de materia total :
e. - s. = d (V. )/dt
3.b.2.2) Balance de materia al electrolito.
e.e - s.s = d(V. s)/dt
Dado que e=0, integrando la primera expresión, llevando V(t) a la segunda e integrando de nuevo:
s= s0. exp[(-1 - s)/( e - s)].ln [(V0+e.t - s.t)/ V0]
(ecuación B)
3.c) Tratamiento de datos
Partiendo de la recta de calibrado concentración/conductividad, convertir las dos tablas conductividad/tiempo
obtenidas experimentalmente en tablas concentración/tiempo por aplicación directa de la recta de calibrado. Calcular los
caudales de entrada y de salida. Comprobar que cuadran los valores de los dos caudales con la variación de volumen del
recipiente de mezcla.
Representar los valores experimentales y calculados por las ecuaciones A y B en gráficas. La concordancia de los
resultados medirá la utilidad de los balances para describir el proceso de mezcla.
ESTUDIO DE UNA REACCIÓN POR UN MÉTODO CONDUCTIVIMÉTRICO
1) OBJETIVOS
a) Determinar el orden de reacción, estableciendo si se trata de una reacción de orden uno o de orden dos.
b) Establecer la dependencia del coeficiente cinético con la temperatura, según la ecuación de Arrhenius.
2) DISPOSITIVO EXPERIMENTAL
Se partirá de un recipiente con agitación magnética (que actuará como reactor discontinuo) y termostatado, en
el que se introducirá la mezcla de reacción. Alcanzada la temperatura de régimen, se llevará a cabo la saponificación del
acetato de etilo:
CH3COOC2H5 + NaOH ----------> CH3COONa + C2H5OH
El progreso de la reacción se seguirá por lecturas de conductividad. Nótese que la conversión del acetato de
etilo supone la desaparición de un electrolito fuerte, el hidróxido sódico, para dar un electrolito débil, el acetato sódico:
por ello, al avanzar la reacción se producirá una disminución de la conductividad. La dependencia de la concentración
de NaOH con la conductividad puede considerarse lineal en las condiciones de operación elegidas para la práctica.
Se realizarán tandas de lecturas conductividad/tiempo (Operando a 4 temperaturas distintas, en el rango 20-50
ºC, tratando de estar proporcionalmente distribuidas en este intervalo), realizándose lecturas de conductividad cada
minuto durante 20 minutos en cada ensayo.
Una vez finalizada la experimentación anterior, se medirá la dependencia con la temperatura de una disolución
que resultaría de la conversión completa de la mezcla de reacción (denominada “disolución de tiempo infinito” en el
guión).
3) LABOR EXPERIMENTAL A REALIZAR
3.a) Obtención de datos conductividad/tiempo en operación isotérmica.
Se regula el termostato a la temperatura deseada, dejándolo alcanzar el régimen estacionario. La temperatura
alcanzada se mide con un termómetro de 0.1 ºC de precisión. En el recipiente de reacción se introduce un núcleo
magnético, se pesan 498 g de agua y se pipetean 20 mL de una disolución de NaOH (concentración= 10 g/L). Dado que
el proceso de calentamiento dentro del baño es lento, puede aproximarse la temperatura en un hornillo agitando con
varilla. Recomendable sobre todo a temperaturas altas). Esta disolución se introduce en el baño termostatado, se agita
magnéticamente, se coloca el conductivímetro de modo adecuado para tener lecturas reproducibles y se comprueba que
la diferencia de temperaturas entre el baño termostático y la disolución de NaOH no exceda de 0.2 ºC. Una vez
cumplida esta condición, se anota la temperatura, se comprueba que la lectura del conductivímetro es estable, y se
añaden 0.498 mL de acetato de etilo (la cantidad estequiométrica correspondiente al NaOH contenido en el recipiente de
reacción. Comprobarlo). En el momento de añadir el acetato de etilo, comienza la reacción de saponificación. En ese
momento, se toma tiempo cero, se lee la correspondiente conductividad y se leen datos experimentales
conductividad/tiempo cada minuto durante 20 minutos. Este procedimiento se repite exactamente igual a las otras
temperaturas.
3.b) Dependencia con la temperatura de la conductividad de la disolución de “tiempo infinito”.
El primer paso es realizar una disolución conteniendo 460 g de agua, 20 mL de la disolución de 10 g NaOH/L,
20 mL de una disolución de ácido acético (concentración, 15 g/L) y 0.587 mL de etanol. Esta disolución (llamada “de
tiempo infinito”) tiene la misma composición que la que tendrían las disoluciones empleadas en el apartado 3.a si el
NaOH y el acetato de etilo se hubiesen convertido totalmente (Comprobrarlo). Se introduce un núcleo magnético y se
colocan la sondas del conductivímetro y del termómetro. La lectura de conductividad, una vez estable, debe ser inferior
a cualquiera de las lecturas del apartado 3.a. El baño termostático se ajusta a una temperatura ligeramente superior a la
máxima temperatura alcanzada en operación isotérmica, y se introduce en su interior el recipiente de reacción. Se toman
los valores iniciales de temperatura y conductividad. La temperatura de la disolución de tiempo infinito aumentará, y
con ello se modificará la conductividad. Se procederá a leer los valores de la conductividad a cada temperatura (en
intervalos de 2 ºC, hasta cubrir el intervalo de temperaturas para las que se trabajó en los experimentos del apartado
3.a).
4) DESARROLLO TEORICO Y TRATAMIENTO DE DATOS
4.a) Fundamento teórico
Definición de variables:
CA (mol/L): concentración de acetato de etilo o de NaOH a tiempo t (nótese que ambas son idénticas en valor
numérico).
CA0 (mol/L): concentración inicial de acetato de etilo o de NaOH. A partir de los datos del guión puede
calcularse por balances de materia que el valor correspondiente es 0.009643 mol/L (Comprobarlo).
L (unidades arbitrarias): conductividad de la disolución a la temperatura y tiempo considerados.
L0 (unidades arbitrarias): conductividad inicial de la disolución a la temperatura considerada.
L (unidades arbitrarias): conductividad de la disolución de tiempo infinito a la temperatura considerada.
t: tiempo (minutos)
-rA (mol/L.min): velocidad de reacción a tiempo t, medida como -dCA/dt
n: orden de reacción (adimensional)
k: coeficiente cinético, dependiente de la temperatura, con unidades dependientes del orden de reacción.
T: temperatura absoluta, K.
k0: factor preexponencial de la ecuación de Arrhenius, de iguales unidades que k.
Ea: energía de activación (J/mol)
R: constante de los gases (8,31 J/mol.K)
Ideas básicas de cinética química:
Para una reacción genérica, la dependencia con el tiempo de la concentración de un reactivo genérico A viene
dada por la expresión de la velocidad de reacción:
-rA = -dCA/dt = k. CAn
En operación isotérmica (a temperatura constante) k es constante. Bajo esta hipótesis, para orden 1 (n=1):
-dCA/dt = k. CA1 = k. CA, e integrando:
ln(CA) = ln(CA0) -k.t
se predice variación lineal de ln(CA) frente al tiempo.
Para operación isotérmica en un sistema cinético de orden 2 (n=2):
-dCA/dt = k. CA2, e integrando: (1/CA) = (1/CA0) + k.t
se predice variación lineal de la inversa de CA con el tiempo.
Si se realizan distintos experimentos isotérmicos, cada uno de ellos a distintas temperaturas, se obtendrán
distintos valores de k. El coeficiente cinético k aumenta con la temperatura, a través de una función conocida como
ecuación de Arrhenius:
k=k0. exp(-Ea/RT)
Tomando logaritmos neperianos en la ecuación anterior,
Ln k = ln k0 -(Ea/R)·(1/T)
es decir, se predice una relación lineal entre (ln k) y la inversa de la temperatura absoluta.
4.b) Tratamiento de datos.
4.b.1) Conversión de datos conductividad/tiempo en concentración/tiempo
Para relacionar conductividades y concentraciones se parte de los datos experimentales (conductividad de la
disolución de tiempo infinito)/temperatura obtenidos en la sección 3.b. Dichos datos experimentales se ajustan a una
recta, y a partir de la pendiente y de la ordenada se calculan los datos de la conductividad de la disolución de tiempo
infinito correspondientes a las temperaturas de operación consideradas en la experimentación del apartado 3a. Ahora,
para una temperatura de operación dada se conoce la conductividad a tiempo cero (el primer dato de la tabla
correspondiente a esa temperatura de la sección 3.a) y la conductividad de la disolución a tiempo infinito. Pueden
plantearse dos ecuaciones considerando la dependencia lineal entre conductividad y concentración para el NaOH y el
acetato de etilo, resultando para el cálculo de la concentración de NaOH una expresión de la forma:
CA = a+b.L
a) Situación inicial (tiempo cero): CA0= a+b.L0
b) Situación final (tiempo infinito): CA = 0= a+b.L (CA es cero porque a tiempo infinito se habrá agotado el
NaOH; y L es el valor de la conductividad de la disolución de tiempo infinito para la temperatura de
operación considerada).
De las dos ecuaciones anteriores pueden calcularse los valores de a y b para la temperatura de operación
considerada:
a= CA0 - CA0 L0/( L0- L)
b= CA0/( L0- L)
Con esta información, los valores conductividad/tiempo se convierten en valores concentración/tiempo a través
de la relación lineal entre conductividad y concentración.
4.b.2) Investigación del orden de reacción y determinación de los coeficientes cinéticos.
Para cada temperatura, se transforman los datos concentración/tiempo en ln(concentración)/tiempo (De acuerdo
a una cinética de orden 1) y en (inversa de concentración)/tiempo (que corresponde a orden 2), y se procede a ajustarlos
linealmente en ambos casos. Si los datos ln(concentración)/tiempo guardan una mejor linealidad que los (inversa de
concentración)/tiempo, la reacción es de orden 1. En caso contrario, la reacción es de orden 2. De acuerdo con las
ecuaciones teóricas, los valores de las pendientes de las representaciones están relacionadas con los valores del
coeficiente cinético a cada temperatura.
4.b.3) Determinación de los parámetros de la ecuación de Arrhenius.
Los valores de k frente a la temperatura en grados Celsius pueden transformarse en valores de ln(k) frente a la
inversa de temperatura en Kelvin. Haciendo el correspondiente ajuste lineal puede obtenerse una pendiente y una
ordenada. La ordenada es directamente el valor de ln(k0) (del que puede calcular k0 ) y la pendiente es -Ea/R (de donde
puede calcularse Ea).
DETERMINACION DE COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN
CONVECCION NATURAL Y EN CONVECCIÓN FORZADA
OBJETIVO
- Se pretende determinar el coeficiente de transferencia de calor (h) en sistemas con convección natural y con
convección forzada para un sistema de geometría definida, mediante pares de datos
temperatura/tiempo obtenidos en procesos de enfriamiento.
MATERIAL:
-Agitador y núcleo magnético
-Termómetro
-Vaso de precipitados
-Piezas de aislamiento de las partes superior e inferior del recipiente
-Hornillo
-Ventilador
PROCEDIMIENTO
1) Medir el perímetro externo e interno del vaso de precipitados con ayuda de tiras de papel.
2) Añadir una cantidad conocida de agua, en torno a 750 mL.
3) Medir la altura del líquido sobre el fondo
4) Medir la temperatura ambiente
5) Introducir el núcleo magnético, tapar con el aislante y colocar el termómetro en disposición de medir.
6) Calentar hasta una temperatura del orden de 90 ºC
7) Depositar el vaso de precipitados sobre el agitador de superficie aislada (sin/con ventilación)
8) Comprobar que existe agitación
9) Esperar un par de minutos, y tomar datos temperatura/tiempo cada minuto durante 20 minutos
FUNDAMENTO TEÓRICO
La convección se debe al movimiento de capas de un fluido originadas por diferencias de densidad
(convección natural, cuando estas diferencias de densidad están causadas exclusivamente por gradientes de
temperatura) o por un sistema externo que fuerza un flujo (convección forzada). En el caso de esta práctica, la
cesión de calor desde la superficie lateral del vaso de precipitados (nótese que el vaso está aislado por encima y
por debajo) hasta el ambiente sigue la ley general de transferencia:
Q= h.Aext.(ts-ta)
(ec. 1)
donde:
Q= calor cedido/tiempo; Aext= área lateral del cilindro ts= temperatura de la cara lateral externa del vaso de
precipitados; ta= temperatura ambiente.
La variable que se mide es la temperatura del agua (tagua), que puede suponerse aproximadamente igual
a la temperatura de la cara interna del vaso por la existencia de agitación y por el alto valor de los coeficientes
de transferencia sólido-líquido. Si el calor que cede el agua al enfriarse (término de acumulación del balance
energético) es igual al calor transmitido por conducción a través de la pared de vidrio e igual a su vez al calor
transferido desde la pared externa del vaso de precipitados al ambiente, pueden plantearse las ecuaciones:
-m.Cp.d(tagua)/d = k.Aml.(tagua-ts)/e = h.Aext.(ts-ta)
(ec. 2)
donde el primer término corresponde al término de acumulación de balance, el segundo a la salida de calor por
conducción y el tercero a la transferencia. El significado de las variables es como sigue:
m=masa de agua, Cp= calor específico del agua; =tiempo; k= conductividad térmica del
vidrio; Aml=area media logarítmica de transmisión de calor por conducción; e=espesor del
vaso de vidrio. El área media logarítmica se calcula como
Aml=.L.(Dext-Dint)/ln(Dext/Dint)
(ec. 3)
donde L es la altura del agua sobre el fondo y Dext y Dint son los diámetros externo e interno del vaso,
respectivamente. Nótese que Aml puede calcularse directamente con los datos disponibles.
Utilizando el segundo y tercer términos de la ec. 2, la variable t s puede despejarse en función de las
demás, y sustituirse en el segundo término de la ecuación. Definiendo además el coeficiente integral de
transmisión de calor U a través de la ecuación:
UA = e/(k.Aml)+1/(h.Aext)-1
(ec. 4)
puede deducirse que:
-m.Cp.d(tagua)/d = U.A.(tagua-ta)
(ec. 5)
que puede integrarse para obtener:
ln (tagua-ta)/(tagua0-ta)= -U.A/(m.Cp).
(ec. 6)
deonde tagua0 es la temperatura inicial del agua.
El procedimiento de cálculo consiste en:
1) Transformar los datos tagua frente a  en datos ln (tagua-ta)/(tagua0-ta) frente a 
2) Calcular por regresión lineal la pendiente de la recta resultante
3) Conocido el valor numérico de la pendiente, calcular el valor de U·A según la ec. 6
4) Conocido U·A, calcular h según la ecuación 4
Este esquema de cálculo ha de realizarse separadamente para los experimentos de convección natural y de convección