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LAB. CINETICA Y DISEÑO DE REACTORES
ING. JORGE AMUSQUIVAR FERNANDEZ
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TRABAJO EXPERIMENTAL Nº 2
CARACTERIZACION DEL MODELO DE FLUJO EN
RECIPIENTES CON LA DISTRIBUCION DEL TIEMPO DE
RESIDENCIA (DTR)
EXPERIMENTO EN ESCALON
1. INTRODUCCIÓN
La caracterización del flujo en un determinado reactor como el de flujo
pistón y el de mezcla completa, han sido considerados desde el punto de
vista ideal, el comportamiento real del flujo en un reactor real siempre se
desvía de esos modelos ideales, por lo que es necesario tener en cuenta tres
factores interrelacionados que describen el modelo de contacto o de flujo:
1. La DTR o distribución de tiempos de residencia del material que
circula a través del reactor.
2. El estado de agregación del material circulante, su tendencia a
agruparse (grupos de moléculas que se mueven aproximadamente
juntas)
3. La prontitud y tardanza de mezclado del material en el recipiente
En tratamiento de la DTR (Et) es objeto del presente trabajo experimental,
tomando en cuenta que para la determinación de la DTR se utiliza de forma
sencilla un trazador físico no reactivo, en las siguientes clases de
experimentos:
 Experimento en impulso
 Experimento en escalón
 Experimento periódico
 Experimento al azar
Dada la facilidad de interpretación, los dos primeros, se consideran
apropiados al estudio experimental.
1.1.PRINCIPIOS TEÓRICOS
El experimento en escalón
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El experimento en escalón consiste en la introducción del trazador en la
corriente de fluido que ingresa al reactor o recipiente, ya sea como flujo
molar o flujo másico y se registra la concentración del trazador en el fluido
que abandona el reactor, su representación esquemática se muestra en el
gráfico siguiente:
v, caudal
m
V
volumen
t
Co
C
Area
t
A partir del balance de materia:
m
v
mV
Area  C o t  2
v
C 0  C max 
(1)
(2)
que son ecuaciones con las que se efectúa el ensayo de consistencia en el
que se tienen 3 cantidades m, v y V y dos ecuaciones a satisfacer,
consiguientemente
se pueden encontrar dos incógnitas, conociendo la tercera, o se pueden
hacer comprobaciones mediante balances de materiales para ver si los
datos son consistentes y si se han tomado adecuadamente.
Para encontrar la curva Ft ( función escalón normalizada) a partir de la
curva o serie de datos concentración del trazador (C) versus tiempo (t), se
modifica simplemente la escala de concentración de modo que la curva
quede comprendida entre los valores 0 y 1.
vC C
Ft 

(3)
m Co
en función de una escala de tiempos adimensionales:
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F  Ft 
vC
m
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(4)
El tiempo medio y la varianza de los datos experimentales se calcula por
las expresiones (para más detalles, ver cap 63 del Omnilibro de los
reactores qu.ímicos de Levenspiel):
 C
t

max  C dt
Cmax
2 

Cmax
tdC


Cmin
(5)
Cmax
2 t Cmax  C dt
Cmax
t2


C max
t2
Cmin
Cmax
t2
(6)
Normalización de la función F
1. Del gráfico concentración del trazador versus tiempo, determine el
valor de la concentración máxima Cmax (concentración constante
para el tiempo en el que el régimen de trabajo es permanente)
2. Calcular t y  2 según el tipo de experimento del trazador del texto
del omnilibro de Levenspiel, cap 63
3. Calcular para cada valor de ti y Ci, los nuevos valores de
C
F i  i
C max
i 
ti
t
4. Graficar Fθ versus θ (para ambas experiencias: mezcla completa y
flujo pistón en un solo gráfico)
MODELO DE DISPERSIÓN
Experimento en escalón
1. Desviación pequeña del flujo en pistón, D/uL<0.01
Se utiliza la función:
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

F   E d  
1
 (1 ) 2
4 ( D/uL)
1
 (1 ) 2
4 ( D/uL)
25
e
d


4

D/uL
0
0
La que se integra numéricamente, asignandose por tanteo un valor
inicial de (D/uL)<0.01, procediendose a su representación gráfica en la
misma figura de la representación F experimental, procediendose a su
ajuste no lineal, si (D/uL) no satisface el ajuste adecuado se asigna otro
valor de (D/uL), repitiendose el procedimiento de ajuste no lineal hasta
lograr el valor de (D/uL) que mejor ajuste los datos experimentales
2. Gran desviación del flujo en pistón, D/uL>0.01
Se utiliza la expresión:


0
0
F   E d  
e
d
4 D/uL
Siguiendo idéntico procedimiento anteriormente descrito.
MODELO DE TANQUES EN SERIE
1. Experimento en escalón
a) Graficar la función:

( N ) 2
( N ) N 1 
F  1  e  N 1  N 
 ... 

2!
( N  1)! 

Asignandose un valor inicial de N
b) Proceder a la regresión no lineal, asignandose diferentes
valores de N hasta que la curva experimental quede ajustada
por regresión no lineal
1.2.OBJETIVOS.
Determinar la DTR de un recipiente con el experimento en escalón de
trazadores.
Aplicar los modelos de Dispersión y Tanques en Serie a los experimentos
de trazadores en escalón
2. METODOLOGÍA.
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2.1.DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Y MATERIAL








Equipo reactor tipo tanque agitado
Equipo reactor tipo tubular
Equipo de volumetría
HCl
NaOH y fenolftaleina
Matraces de 100ml
Jeringa y conexiones de goma
Equipo de dosificación del caudal del líquido
2.2.PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.
El experimento en escalón
El procedimiento experimental tanto para el reactor tipo tanque agitado y
tipo tubular, es el siguiente:
 Se ponen en funcionamiento el equipo de agitación (para el caso del
tanque agitado) y simultáneamente la llave de paso del dosificador
de caudal hasta est
 ablecer el régimen permanente en el flujo.
 Se abre la llave de paso del dosificador que contiene el trazador
(t=0) y se toman las muestras en los matraces por el procedimiento
de “lecturas por copas”, determinando previamente un intervalo de
tiempo constante.
 Los matraces con las muestras se valoran con NaOH y fenolftaleina
como indicador.
2.3.TRATAMIENTO DE DATOS.
Cálculos preliminares
1. Tabulación
del volumen de neutralización versus (tiempo)
intervalo de tiempo de la toma de muestra.
2. Restar el volumen de neutralización (0.1 ó 0.2 que corresponde al
agua de grifo) a todos los de volumen de neutralización
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3. Calcular para todos los valores de los volúmenes de neutralización,
la concentración del trazador (el ácido) a traves de V1N1 =V2 N2
4. tabular los tiempos medios correspondientes a los intervalos de
muestra
5. Graficar: Concentración del trazador versus tiempo (para ambas
experiencias: mezcla completa y flujo pistón en un solo gráfico)
El experimento en escalón
 Grafique la curva de concentración de trazador versus tiempo
 Calcule los valores de Ft y Fθ y grafique versus t y θ,
respectivamente
 Realice los ensayos de consistencia
 Realice el cambio de funciones Ft a Et
 Calcule el tiempo medio de permanencia y la varianza del
experimento.
 Evaluar el grupo adimensional (D/μL) en función del modelo de
dispersión ( cap 64, El Omnilibro de los reactores químicos)
 Evaluar el valor de N en función del modelo de tanques en serie
(cap. 66, El Omnilibro de los reactores químicos