Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Rosario Cátedra de Ing. De las Reacciones

Transcripción

1 Uiversidad Tecológica Nacioal Faculad Regioal Rosario Cáedra de Ig. e las Reaccioes Trabajo pracico Nº 3: Flujo o ideal: isribució de iempos de residecia e u reacor flujo pisó AÑO 14 Ig. Roque Masciarelli - Ig Silvia Sacich - Ig. Soppai Ferado

2 OBJETIVOS: eermiar la curva de isribució de Tiempos de Residecia (TR) e u reacor flujo pisó. Calcular el módulo de dispersió. Predecir, uilizado disios modelos, la coversió para ua reacció de primer orde. FUNAMENTOS TEÓRICOS: El comporamieo de u reacor real difiere habiualmee del comporamieo de los reacores ideales que hemos esudiado, ya sea que se rae de u reacor Mezcla Complea o de u reacor Flujo Pisó. Si logramos deermiar el iempo de residecia de cada porció de la alimeació obedremos, como hemos viso e eoría, la curva de disribució de iempos de residecia (TR), ambié deomiada curva C o curva E. E [1/iempo] 1 [iempo] Podemos decir que el área debajo de la curva compredida ee 1 y represea ua fracció de la alimeació que permaece dero del reacor u iempo compredido ere 1 y. E [1/iempo] [iempo] Recordemos además que el área debajo de la curva E, es igual a 1. Esa curva os proporcioa iformació que luego será uilizada para la esimació de la coversió, segú modelos maemáicos, que si bie so meos ideales, ampoco describe el comporamieo exaco del reacor. El comporamieo real de la fluidodiámica de u reacor se puede esudiar por medio de la écica de esímulo respuesa, la cual cosise e geerar ua señal a la erada del reacor para deecar la respuesa a la salida del mismo. Esa señal es producida por el agregado de algua susacia que pueda ser deecada y cuaificada a la salida midiedo algua de sus propiedades, como coducividad, radiacividad, absorbacia, ec. Esa susacia se deomia razadora. 1

3 Los ipos de señales comúmee uilizados so: Señal e pulso: se iyeca ua caidad de razador a la erada del reacor e el meor iempo posible, y luego se mide su coceració a la salida. Señal e escaló: a parir de u isae = se comieza a iyecar u flujo molar cosae del razador a la erada del reacor, y a la salida se medirá su coceració hasa que la misma sea igual a la coceració a la erada. [Coceració] = Señal e pulso Respuesa [iempo] [Coceració] Señal e escaló Respuesa [iempo] A parir de ua señal e pulso se puede obeer la curva E, segú: E() C () C() d Tambié podemos calcular el iempo medio de residecia:. E( ) d E() d. E( ) d Teiedo e cuea que e la prácica el úmero de muesras es u úmero fiio, la iegral la haremos ere y. e igual modo a parir de ua señal e escaló y midiedo la coceració de razador a la salida del C reacor se puede obeer la curva F, segú: i F=, dóde C i es la coceració del razador a la salida y C C es la coceració del razador a la erada del reacor. Recordemos que segú hemos viso e la eoría las curvas E y F se relacioa segú: F( ) E( ) d o sea, df() E () d

4 E [1/iempo] F ERIVACIÓN INTEGRACIÓN [iempo] [iempo] La curva E resulará más o meos achaada segú el alejamieo del comporamieo ideal de u reacor flujo e pisó, cuao más agosa y ala resule más os aproximamos a la idealidad de comporamieo de ese reacor: E [1/iempo] [iempo] Para cada curva se puede obeer la variaza, la cual represea la dispersió de los daos obeidos respeco del iempo medio de residecia. Los valores para variaza y variaza adimesioal, se obiee segú: _ ( ). E( ) d y Como Uds. recordará esos valores de la variaza adimesioal se relacioa co el Módulo de ispersió por medio de: vl 1 vl 8 vl vl e vl Para recipiees cerrados Para recipiees abieros U recipiee cerrado es aquel dode o hay reromezcla e la erada i e la salida del reacor, mieras que se cosidera abiero cuado exise reromezcla e los exremos. La curva E puede adimesioalizarse uilizado u iempo adimesioal: θ= E θ=.e 3

5 A parir del balace de maeria e esado rasiee de u reacor al cual se le iyeca ua señal e pulso se puede obeer la ecuació de la curva E e fució del Módulo de ispersió: La experiecia que realizaremos e plaa piloo será de señal e pulso o señal e escaló, segú se deermie de acuerdo co los profesores. Ambos grupos podrá dispoer de la curva de disribució de iempos de residecia, ambié llamada curva E. Esa curva os proporcioa iformació macroscópica respeco del iempo que ha permaecido dero del reacor cada fracció de la alimeació. Para la deermiació de la TR se iyecará ua ciera caidad de KMO 4 a la erada de u reacor flujo pisó el cual se ecuera fucioado e esado esacioario co circulació de u caudal de agua a la velocidad que se desea esudiar. Se oma muesras del flujo de salida para iervalos de iempo esablecidos. Por méodos foocoloriméricos se deermia la coceració del KMO 4 a la salida. Co esos daos se deermia los valores E i = f ( i ), y se puede cosruir la curva E. Los daos obeidos se uilizará para: eermiar el Módulo de dispersió caracerísico para ese sisema, el cual será uilizado para esimar la coversió e el reacor cuado se aplica el Modelo de ispersió Axial. Calcular el úmero de reacores MC para el modelo de N reacores Mezcla Complea e serie. Aplicar el Modelo de flujo segregado. TÉCNICA EMPLEAA: Se aplicará la écica del esímulo-respuesa, iyecado u pulso o u escaló de razador (KMO 4) a la erada del reacor y regisrado las coceracioes del mismo a la salida. 4

6 EQUIPOS A UTILIZAR: Reacor Flujo Pisó: el cuerpo cosise e u ubo cilídrico meálico ecamisado para el caleamieo. Se ecuera e posició verical. La alimeació se igresa por el fodo obeiédose los producos por la pare superior. E la zoa de la alimeació exise ua erada laeral co u apó de goma perforado dode se isera ua jeriga de 5 ml co ua aguja que ha sido doblada a 9º como idica la figura. Esa jeriga será uilizada para la iyecció de razador. El reacor posee ambié las correspodiees erada y salida de fluido de calefacció. Ver dealle de la erada del razador. B A A B Bomba: de desplazamieo posiivo. El caudal de la bomba se puede regular variado la carrera del pisó. Se uiliza para impulsar el agua a ravés del reacor bombas de diafragma. Especrofoómero o colorímero MATERIAL E LABORATORIO Tubos de esayo. Jeriga de 5 ml. Probea de ml. ETERMINACIONES PREVIAS: Es ecesario realizar la curva de calibració del foocolorímero para disias coceracioes del razador. TÉCNICA OPERATORIA: Para señal e pulso Esado el reacor vacío se debe reirar la jeriga de 5ml que se halla isera e el apó de goma y se debe llear co 5 ml de la solució de KMO 4, se limpia eviado que cualquier porció de razador ere e coaco co el flujo aes del momeo de la iyecció. Luego se la vuelve a colocar e el apó de goma cuidado que el exremo doblado de la aguja quede aproximadamee e el cero del ubo del reacor y orieado hacia arriba. 5

7 Se poe e régime el reacor co ua alimeació que puede variar ere 13 y 18 ml/mi alimeado co la bomba y coecado la alimeació a la erada B del reacor (Ver Figura). Teer e cuea que ese ipo de bombas ormalmee iee válvulas de seguridad para permiir la salida de fluido e caso de que haya u bloqueo o que os hayamos olvidado algua válvula de la alimeació. Por ello se debe verificar el esado de odas las válvulas de alimeació y el esado y posició de la válvula de seguridad de la bomba e el caso de que la misma sea visible. A u iempo, cosiderado =, se iyeca 5 ml de solució de KMO 4 de coc. 5 g/l, raado de hacerlo e forma rápida y suave es decir perurbado lo meos posible el flujo. Se exrae muesras del flujo de salida para iervalos cosaes de iempo (puede ser cada 3 o 4 mi). Hacer la salvedad de que si los iervalos so muy espaciados podemos perderos la oporuidad de medir el pico máximo de salida del razador, por ello es imporae medir la coceració de razador a la salida a iervalos pequeños e las proximidades del mismo, que suele producirse ere los 15 y miuos. La experiecia se coiúa hasa que el flujo de salida sea prácicamee icoloro. Se mide la absorbacia de cada muesra recogida a la salida a u iempo deermiado, y uilizado la curva de calibració se deermia la coceració de razador. Fialmee se vacía el reacor, si olvidaros de medir el volume del mismo midiedo el volume de líquido remaee e el mismo uilizado ua probea de ml. Ese valor será uilizado para calcular el (iempo de residecia). Recordar que se debe medir la emperaura ambiee, la cual será la emperaura de la experiecia. Para señal e Escaló Esado el reacor vacío verificar que el orificio dode se isera la jeriga ese apado co u apó. Coecar la bomba de mayor caudal e B (como muesra la figura) y la de meor caudal e A. Se poe e régime co agua el reacor co ua alimeació aproximadamee de 13 ml/mi la bomba coecada e B, maeiedo cerrada la alimeació A. Luego cerrar la alimeació B y poer e régime co agua el reacor co ua alimeació aproximadamee de ml/mi la bomba coecada e A. A u iempo, cosiderado =, se empieza a alimear la bomba coecada e A co KMO 4. Co las dos bombas adado al mismo iempo verificar que el caudal oal de salida sea la suma de los dos aeriores midiedo el caudal a la salida del reacor, esa operació es coveiee repeirla o 3 veces a lo largo de la experiecia para verificar que el caudal oal se maega cosae. Se exrae muesras del flujo de salida para iervalos cosaes de iempo (puede ser cada 3 mi). Hacer la salvedad de que si los iervalos so muy espaciados podemos perderos la oporuidad de medir el iempo e que sale el razador, por ello es imporae medir la coceració de razador a la salida a 6

8 iervalos pequeños ere los 15 y miuos. La experiecia se coiúa hasa que la coceració de razador a la salida sea cosae. Se mide la absorbacia de cada muesra recogida a la salida a u iempo deermiado, y uilizado la curva de calibració se deermia la coceració de razador. Fialmee se vacía el reacor, si olvidaros de medir el volume del mismo. Eso se realiza midiedo el volume de líquido remaee e el mismo, uilizado ua probea de ml. Ese valor será uilizado para calcular el (iempo de residecia). Recordar que se debe medir la emperaura ambiee, la cual será la emperaura de la experiecia. CÁLCULOS: Para obeer las curvas E y F a parir de los daos de coceració a cada iempo egamos e cuea que: Para señal e pulso A) Graficar los daos coceració vs iempo obeidos e plaa piloo. B) Calcular C( ) d area bajo la curva dode = ulimo iempo de muesreo Para el cálculo de esa área uilizaremos alguos de los méodos uméricos que se muesra e el aexo. (Realizar ese cálculo co el programa Origi) C) Calcular E() i ) Graficar E( i) f ( ) C( i) C( i) area C() d dode C(i) es coceració e el iempo (i) E) Obeer la curva F() a parir de la curva E() mediae el uso del programa Origi u oro medio iformáico. F) Calcular el iempo medio de residecia:. E( ) d. Para ese cálculo graficar E(i).(i) vs (i) y calcular el área bajo la curva mediae el uso del Origi u oro medio iformáico. Esa área represea el iempo medio de residecia. G) Como podemos observar la curva E iee uidades de iempo -1, y por eso se solicia además obeer y graficar la correspodiee curva adimesioal E f ( ), segú: E i Ei y H) Calcular la variaza de igual modo que lo expueso aeriormee. 7

9 _. E( ) d I) Calcular la variaza adimesioal mediae: Para señal e escaló A) Graficar los daos coceració vs iempo obeidos e plaa piloo. B) Graficar, Ci F= C e fució del iempo. C) Obeer la curva E() a parir de la curva F() mediae el uso del programa Origi u oro medio iformáico. ) Calcular el iempo medio de residecia:. E( ) d. Para ese cálculo graficar E(i).(i) vs (i) y calcular el área bajo la curva mediae el uso del Origi u oro medio iformáico. Esa área represea el iempo medio de residecia. E) Como podemos observar la curva E iee uidades de iempo -1, y por eso se solicia además obeer y graficar la correspodiee curva adimesioal E f ( ), segú: E i Ei y F) Calcular la variaza de igual modo que lo expueso aeriormee. G) Calcular la variaza adimesioal mediae: _. E( ) d Para ambas señales A parir de la variaza adimesioal se puede calcular el Módulo de ispersió para recipiees cerrados o abieros: vl 1 vl 8 vl vl e vl Para recipiees cerrados Para recipiees abieros 8

10 ada ua reacció para ua reacció ipo A P cuya ciéica es: r = k C A ; dode k o =, mi -1 y E= 58 cal/mol. Se solicia efecuar la esimació de la coversió x A para los siguiees modelos: Flujo pisó ideal para =1 x A = 1 e -k ode el iempo de residecia se calcula segú: V v, siedo V el volume del reacor y v el caudal volumérico Mezclado perfeco Si para =1 x A k 1 k Uilizar el mismo que para flujo pisó Modelo de ispersió axial Uilizamos el Módulo de ispersió caracerísico del reacor esudiado. Weher y Wilhelm, deermia para reaccioes de primer orde co cualquier ipo de codicioes de erada y salida, que: 1 x A 4a e ul a e aul 1 1 a e aul dode: a 1 4k ul Tambié se puede uilizar graficas. Modelos Serie de aques agiados / N A parir del valor de N calcular el valor de la coversió para ua serie de aques agiados para ua reacció de primer orde. 9

11 Modelo de Segregació oal _ X X ( ). E d Para calcular la coversió co ese modelo primero ego que graficar X(i).E(i) vs (i) y calcular el área bajo la curva por algú méodo que se adjua e el aexo. (Realizar ese cálculo co el programa Origi) Por úlimo efecuar la comparació de los valores obeidos, segú: Méodo Flujo Pisó Ideal Mezcla Complea F. P. C/ ispersió Axial N Reacores MC e serie Segregació Toal x A obeido INFORME El iforme de cosar co los objeivos del pracico, daos, cálculos (ablas y graficas), coclusioes y bibliografía. 1