TP3 - Facultad de Ingeniería Química

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL LITORAL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
CÁTEDRA DE INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS Ic
GUÍAS DE TRABAJOS PRÁCTICOS
TRABAJO PRÁCTICO No. 3
TEMA: EFECTOS TÉRMICOS
DISCONTINUO NINA
EN REACTORES QUÍMICOS. REACTOR
OBJETIVOS: Determinar la evolución temporal de la temperatura en un reactor
discontinuo agitado con intercambio de calor (NINA) para una reacción exotérmica, y
comparar los resultados con los obtenidos por simulación numérica en computadora.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS: Se estudiará el comportamiento del sistema
reaccionante en solución acuosa:
2 Na2S2O3 + 4 H2O2  Na2S3O6 + Na2SO4 + 4 H2O
Esta reacción es fuertemente exotérmica (HR  147 kcal/gmol Na2S2O3),
prácticamente irreversible, y responde aproximadamente a la expresión cinética:
r = k.[ Na2S2O3].[H2O2]
[r] = gmol Na2S2O3/cm3.s
y la constante cinética k varía con la temperatura de acuerdo a la expresión:
k = 1014.23+0.0001.T.(16.08++0.127.T).e-18100/R.T
En un reactor discontínuo con intercambio térmico, la evolución temporal de las
concentraciones de tiosulfato (CA), agua oxigenada (CB) y de la temperatura del sistema
reaccionante T quedan determinadas por las ecuaciones diferenciales de balance de
masa y calor, la relación estequiométrica entre A y B, y las condiciones iniciales:
dCA/d = - k(T).CA.CB
V.Cpv.(dT/d) = k(T).CA.CB.(-HR) – A.U.(T-t)
CB = CB0 – 2.(CA0 – CA)
T(0) = 0
CA(0) = CA0
CB(0) = CB0
las cuales pueden resolverse utilizando algún método numérico adecuado (Euler,
Runge-Kutta, etc.) para obtener dichas evoluciones. En las condiciones ordinarias de la
realización del trabajo práctico, se observará inicialmente un aumento en la temperatura
del sistema reaccionante debido que al comienzo la generación de calor por la reacción
química supera a la velocidad de transferencia de calor del sistema hacia el fluido que lo
rodea:
k(T).CA.CB.(-HR) > A.U.(T-t)
pasando luego por un máximo cuando ambos términos se igualan (debido a que la
generación disminuye cuando la velocidad de reacción comienza a disminuír y a que el
término de intercambio aumenta al aumentar la temperatura del sistema):
k(T).CA.CB.(-HR) = A.U.(T-t)  dT/d = 0
y disminuyendo posteriormente cuando la transferencia supera a la generación, la cual
tiende a ser nula a medida que se agotan los reactivos y la velocidad de reacción tiende
a cero. La temperatura del sistema reaccionante tenderá hacia el valor de la del fluido de
intercambio a tiempo infinito:
k(T).CA.CB.(-HR) < A.U.(T-t)
[k(T).CA.CB.(-HR)] = 0
[dT/d] = A.U.(T – t)  T = t
T
T0
t

TÉCNICA OPERATORIA
EQUIPO EXPERIMENTAL: El reactor consistirá en un vaso de precipitados, ubicado
sobre un agitador magnético y eventualmente con un baño termostático para operar en
régimen de transferencia térmica a temperatura de pared constante. Un termómetro
digital fijo permitirá el seguimiento continuo de la temperatura del medio reaccionante.
REACTIVOS Y MATERIALES NECESARIOS
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Solución de H2O2  1,2 M
Solución de Na2S2O3  0,8 M
Vaso de precipitados (típicamente 250 mL)
Termómetro digital (resolución 0,1 °C)
Agitador magnético
Baño termostático (opcional)
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Cronómetro
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:
Cantidades adecuadas (típicamente volúmenes iguales) de las soluciones
concentradas de tiosulfato de sodio y agua oxigenada se vertirán rápidamente en el
reactor con agitación, dando comienzo inmediatamente (la reacción es bastante rápida
en condiciones normales, y por lo tanto la evolución de temperatura también lo será) a
las lecturas de temperatura mediante un termómetro digital, a intervalos adecuados y
durante el tiempo necesario para apreciar el máximo de temperatura y el descenso
posterior más lento cuando la reacción prácticamente ya se ha completado. Deberá
registrarse además la temperatura del medio ambiente o del baño termostático.
PROCESAMIENTO DE DATOS. INFORME DEL TRABAJO PRÁCTICO
Se recomienda utilizar software especializado para integración de sistemas de
ecuaciones diferenciales ordinarias (Matlab, Matcad, Scientist, etc.), teniendo en cuenta
que el sistema es muy sensible (“stiff”). El parámetro A.U/V.Cpv puede estimarse
previamente haciendo uso los valores de T() finales, correspondientes a velocidad de
reacción nula, con lo cual:
V.Cpv.(dT/d)  A.U.(T-t)
expresión que puede integrarse fácilmente y obtener así el valor de dicho parámetro
utilizando los valores de T en el rango indicado. Estimado el valor de A.U/V.Cpv se
podrá entonces proceder a la integración del sistema de ecuaciones diferenciales del
balance de masa y calor, obteniéndose los perfiles temporales teóricos de temperatura,
los cuales se compararán con los obtenidos experimentalmente.