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LAB. CINETICA Y DISEÑO DE REACTORES
ING. JORGE AMUSQUIVAR FERNANDEZ
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TRABAJO EXPERIMENTAL Nº 1
CARACTERIZACION DEL MODELO DE FLUJO EN
RECIPIENTES CON LA DISTRIBUCION DEL TIEMPO DE
RESIDENCIA (DTR)
EXPERIMENTO EN IMPULSO
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 impulso
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El experimento en impulso consiste en la introducción instantánea de cierta
cantidad de trazador M (moles o kg.) en el fluido que entra al reactor o
recipiente 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
C
C
t
Area
t
A partir del balance de materia:
Area 
t
V
v
M
v
(1)
(2)
que son ecuaciones con las que se efectúa el ensayo de consistencia con las
alternativas siguientes:
 Si se conoce cualquiera de las tres cantidades M, v o V, se pueden
encontrar las otras dos.
 Si se conocen dos cantidades ( M y v, m y V ó v y V) se puede
encontrar la tercera (V, v , M, respectivamente) y también efectuar
el test de consistencia del experimento del trazador.
 Si se conocen las tres cantidades M, v y V, entonces las ecuaciones
(1) y (2) proporcionan 2 ensayos de consistencia para observar si el
experimento es el adecuado.
Para encontrar la curva Et de la DTR a partir de la curva o serie de datos
concentración del trazador (C) versus tiempo (t), se cambia simplemente la
escala de concentración de modo que el área bajo la curva de respuesta sea
la Unidad (normalización).
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vC
(3)
M
en función de una escala de tiempos adimensionales:
VE t VC
E  t Et 

(4)
v
M
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 químicos de Levenspiel):
Et 
t 
 tCdt
 Cdt
 t Cdt  t

 Cdt
(5)
2

2
Normalización de la función E
1. Encontrar Q, de la forma
Q
2
(6)
C t
i
i
2. Calcular para cada concentración del trazador (ácido), según
Ei 
Ci
Q
3. Graficar E (DTR) versus tiempo (para ambas experiencias: mezcla
completa y flujo pistón en un solo gráfico)
Calculo de Eθ (DTR adimensional)
1. Calcular t y  2 según el tipo de experimento del trazador del texto
del omnilibro de Levenspiel, cap 63
2. Calcular para cada valor de ti y Ei, los nuevos valores de
E i  t E i
i 
ti
t
3. Graficar Eθ versus θ (para ambas experiencias: mezcla completa y
flujo pistón en un solo gráfico)
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MODELO DE DISPERSIÓN
Experimento en impulso
1. Desviación pequeña del flujo en pistón, D/uL<0.01
a. Encontrar D/uL, de acuerdo con:
 2 
 t2
t
2
2
D
L
b. Si D/uL< 0.01, graficar la funcion
E 
1
 (1 ) 2
4 ( D/uL)
e
4 D/uL 
en el gráfico de la curva experimental Eθ
c. Proceder a la regresión no lineal, para tres valores
(D/uL)1<(D/uL)e<(D/uL)2
Determinar el de mejor ajuste para D/uL
2. Gran desviación del flujo en pistón, D/uL>0.01
a. Encontrar D/uL, de acuerdo con:
 t2
 D
D

  2  2
 8
L  L 
t
b. Si D/uL >0.01, graficar la función
2
E 
1
2
 (1 ) 2
4 ( D/uL)
e
4 D/uL 
En el mismo gráfico de la curva experimental Eθ
c. Proceder con la regresión no lineal para tres valores
(D/uL)1<(D/uL)e<(D/uL)2
Determinar el de mejor ajuste para D/uL
MODELO DE TANQUES EN SERIE
Experimento en impulso
1. Encontrar el número de tanques en serie N, por la expresión:
 t2 1
2
  2 
N
t
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2. Graficar la función:
N ( N  ) N  1  N
e

( N  1)!
En el gráfico de la curva experimental Eθ
3. Proceder a la regresión no lineal para tres valores
N-1 < Ne < N+1
Y determinar el mejor ajuste para N
4. Si N>50 (desviación pequeña del flujo piston)
Puede utilizarse la expresión:
E 
E 
N
e
2


 (1 ) 2 


2 

N 

1.2.OBJETIVOS.


Determinar la DTR de un recipiente con el experimento en impulso
Aplicar los modelos de Dispersión y Tanques en Serie a los
experimentos de trazadores en impulso
2. METODOLOGÍA.
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.
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El experimento en impulso
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 establecer el régimen permanente en el flujo.
 Se inyecta 5 ml de HCl de manera instantánea (tiempo cero) y se
recibe 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
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 impulso
 Grafique la curva de concentración de trazador versus tiempo
 Calcule los valores de Et y Eθ y grafique versus t y θ,
respectivamente
 Realice los ensayos de consistencia
 Realice el cambio de funciones Et a Ft
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 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)