PRÁCTICA 6.

REACTOR CSTR CONECTADO EN SERIE CON UN REACTOR

TUBULAR.

Colin Rodríguez Lizeth Isabel

Chávez Malagón Anayaksi
Integrantes del equipo: López García Elizabeth Jael
Mendoza Galindo Jose Guillermo
Zavala Laurel Luis Fernando
Profesor: Rodolfo Ruíz Trejo
Grupo: 4

OBJETIVO EXPERIMENTAL
Encontrar el mejor arreglo entre un reactor CSTR y un reactor PFR conectados en serie para obtener
la máxima conversión a un tiempo de residencia establecido para la saponificación con sosa del acetato
de etilo.

Arreglo A

MONTAJE DEL EQUIPO EXPERIMENTAL

Figura 1. Montaje del arreglo A.

REACCIÓN.

RESULTADOS.
 Tabla 1. Condiciones de operación.

Vol. de reactor tubular 770 mL

Vol. de reactor contínuo 271 mL

Vol total (V) 1,041 mL

Gasto (Q) 43 mL/min

Tiempo de residencia total (ϴ) 24 min

Temperatura (T) 298.15 K

Presión (P) 0.77 atm

CoNaOH=CoAcEt 0.01 M

Tabla 2. Parámetros cinéticos.

A (L/mol min) 564,090,918.8

Ea (cal/mol) 10,342.9907

R (mol K) 1.987

k (L/mol min) 14.7606

Tabla 3. Resultados experimentales.

Muestra Tiempo Volumen de HCl

(min) (mL)

1 38 3.4

2 42 3.3

3 46 3.7

4 50 3.6

5 54 3.3

6 59 3.5

7 63 3.2

8 65 4.8
CUESTIONARIO A

1. A partir de los volúmenes de HCl obtenidos, calcule la concentración de estado

estacionario de la sosa residual en cada reactor.
Ejemplo de cálculo:
(0.005 𝑀)(3.4 𝑚𝐿 𝐻𝐶𝑙)
𝐶𝑁𝑎𝑂𝐻 = = 0.00515 𝑀
3.3 𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻

Tiempo Vol. HCl [NaOH]

Muestra
(min) (mL) (M)

1 38 3.4 0.00515

2 42 3.3 0.00515

3 46 3.7 0.00560

4 50 3.6 0.00545

5 54 3.3 0.00500

6 59 3.5 0.00530

7 63 3.2 0.00500

8 65 4.8 0.00480

- Edo. Estacionario. Reactor contínuo

- Edo. Estacionario. Reactor tubular

2. Calcule la conversión experimental total de estado estacionario.

𝐶0 − 𝐶𝑠
𝑋=
𝐶0
0.01 − 0.005
𝑋𝑇 =
0.01
 𝑋𝑇 = 0.5

3. A partir de los parámetros cinéticos, y mediante el balance de masa calcule la

concentración de estado estacionario “teórica” en cada reactor.

Obteniendo k y los tiempos de residencia para cada reactor:

𝐸𝑎 𝐿
𝑘 = 𝐴𝑒 −𝑅𝑇 = [ ]
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑖𝑛
𝐿
𝐴 = 564,090,918.8
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑖𝑛
𝑐𝑎𝑙
𝐸𝑎 = 10,342.9907
𝑚𝑜𝑙
𝑐𝑎𝑙
𝑅 = 1.987
𝑚𝑜𝑙 𝐾
𝑇 = 298.15 𝐾

𝑐𝑎𝑙
𝐿 − 10,342.9907
𝑘 = (564,090,918.8 ) ∗ 𝐸𝑋𝑃 ( 𝑚𝑜𝑙 )
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑖𝑛 1.987𝑐𝑎𝑙
( ) (298.15𝐾 )
𝑚𝑜𝑙 𝐾
𝐿
𝑘 = 14.7606
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑖𝑛
𝑉𝑃𝐹𝑅
𝜃𝑃𝐹𝑅 =
𝑄
770 𝑚𝐿
𝜃𝑃𝐹𝑅 = = 17.91 𝑚𝑖𝑛
43 𝑚𝐿/𝑚𝑖𝑛
𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅
𝜃𝐶𝑆𝑇𝑅 =
𝑄
271 𝑚𝐿
𝜃𝐶𝑆𝑇𝑅 = = 6.30 𝑚𝑖𝑛
43 𝑚𝐿/𝑚𝑖𝑛

● Ec. para el CSTR:

𝜃𝑘𝐶𝑠 2 + 𝐶𝑠 − 𝐶𝑜 = 0
 −1 + √1 − 4𝜃𝐶𝑆𝑇𝑅 𝑘𝐶0
𝐶𝑠 =
2𝜃𝐶𝑆𝑇𝑅 𝑘

𝐿 𝑚𝑜𝑙
−1 + √1 − 4(6.3 𝑚𝑖𝑛)(14.7606 )(0.01 )
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑖𝑛 𝐿
𝐶𝑠 = 𝐿
2(6.3 𝑚𝑖𝑛)(14.7606 )
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑖𝑛
𝐶𝑠 = 0.0063 𝑚𝑜𝑙/𝐿

● Ec. para el reactor tubular (PFR):

1 −1
𝐶𝑠 = [𝑘𝜃𝑃𝐹𝑅 + ]
𝐶𝑒
donde Ce es la concentración de salida del CSTR
−1
𝐿 1
𝐶𝑠 = [(14.7606 )(17.91 𝑚𝑖𝑛) + ]
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑜𝑙
(0.0063 )
𝐿
𝐶𝑠 = 0.00236 𝑚𝑜𝑙/𝐿

4. Calcule la conversión teórica total de estado estacionario.

𝐶0 − 𝐶𝑠
𝑋=
𝐶0
0.01 − 0.0024
𝑋𝑇 =
0.01
𝑋𝑇 = 0.7636

5. Calcule la diferencia porcentual entre la conversión experimental y la teórica

calculada con los balances de masa.

𝑋 𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 − 𝑋 𝐸𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙
%𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = ∗ 100
𝑋 𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎
 0.7636 − 0.5
% 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = ∗ 100
0.7636
% 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 34.52 %

6. Analice el experimento en términos de las condiciones que se plantean al

establecer el modelo ideal de cada uno de estos reactores y las condiciones
reales presentes durante la experimentación. (O sea, explique el resultado del
punto 5).

Como puede observarse, la diferencia porcentual obtenida es un poco elevada, pues en la conversión
total teórica se obtiene un 26% más que que en la conversión experimental; y esto puede deberse a
que pudieron haber algunas desviaciones del modelo del flujo, es decir, pudieron haber zonas muertas
(que en el reactor CSTR no hubo una agitación homogénea), cortocircuitos y canalizaciones, las cuales
no llegaron a favorecer la conversión total.

Arreglo B

MONTAJE DEL EQUIPO EXPERIMENTAL.

Figura 2. Montaje del arreglo B.

RESULTADOS.
Tabla 1. Condiciones de operación.

Vol. de reactor tubular 735 mL

Vol. de reactor contínuo 320 mL

 Vol total (V) 1,055 mL

Gasto (Q) 44 mL/min

Tiempo de residencia total (ϴ) 24 min

Temperatura (T) 297.15 K

Presión (P) 0.77 atm

CoNaOH=CoAcEt 0.01 M

Tabla 2. Parámetros cinéticos.

A (L/mol min) 564,090,918.8

Ea (cal/mol) 10,342.9907

R (mol K) 1.987

k (L/mol min) 13.9184

Tabla 3. Resultados experimentales.

Muestra Tiempo (min) Volumen de HCl

1 36 3.6

2 40 4.0

3 44 3.9

4 48 3.8

5 52 3.6

6 56 3.5

7 60 3.5

8 64 4

9 68 4

CUESTIONARIO B

1. A partir de los volúmenes de HCl obtenidos, calcule la concentración de estado

estacionario de la sosa residual en cada reactor.
Ejemplo de cálculo:
 (0.005 𝑀)(3.6 𝑚𝐿 𝐻𝐶𝑙)
𝐶𝑁𝑎𝑂𝐻 = = 0.0036 𝑀
5 𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻

Muestra Tiempo (min) Vol. HCl (mL) [NaOH] (M)

1 36 3.6 0.0036

2 40 4 0.004

3 44 3.9 0.0039

4 48 3.8 0.0038

5 52 3.6 0.0036

6 56 3.5 0.0035

7 60 3.5 0.0035

8 64 4 0.004

9 68 4 0.004

- Edo. Estacionario. Reactor contínuo

- Edo. Estacionario. Reactor tubular

2. Calcule la conversión experimental total de estado estacionario.

𝐶0 − 𝐶𝑠
𝑋=
𝐶0
0.01 − 0.0035
𝑋𝑇 =
0.01
𝑋𝑇 = 0.65

3. A partir de los parámetros cinéticos, y mediante el balance de masa calcule la

concentración de estado estacionario “teórica” en cada reactor.
 Obteniendo k y los tiempos de residencia para cada reactor:
𝐸𝑎 𝐿
𝑘 = 𝐴𝑒 −𝑅𝑇 = [ ]
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑖𝑛
𝐿
𝐴 = 564,090,918.8
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑖𝑛
𝑐𝑎𝑙
𝐸𝑎 = 10,342.9907
𝑚𝑜𝑙
𝑐𝑎𝑙
𝑅 = 1.987
𝑚𝑜𝑙 𝐾
𝑇 = 297.15 𝐾

𝑐𝑎𝑙
𝐿 − 10,342.9907
𝑘 = (564,090,918.8 ) ∗ 𝐸𝑋𝑃 ( 𝑚𝑜𝑙 )
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑖𝑛 1.987𝑐𝑎𝑙
( ) (297.15𝐾 )
𝑚𝑜𝑙 𝐾
𝐿
𝑘 = 13.9184
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑖𝑛
𝑉𝑃𝐹𝑅
𝜃𝑃𝐹𝑅 =
𝑄
735 𝑚𝐿
𝜃𝑃𝐹𝑅 = = 16.7 𝑚𝑖𝑛
44 𝑚𝐿/𝑚𝑖𝑛
𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅
𝜃𝐶𝑆𝑇𝑅 =
𝑄
320 𝑚𝐿
𝜃𝐶𝑆𝑇𝑅 = = 7.27 𝑚𝑖𝑛
44 𝑚𝐿/𝑚𝑖𝑛

● Ec. para el reactor tubular (PFR):

1 −1
𝐶𝑠 = [𝑘𝜃𝑃𝐹𝑅 + ]
𝐶𝑒
donde Ce es Co
−1
𝐿 1
𝐶𝑠 = [(13.9184 )(16.7 𝑚𝑖𝑛) + ]
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑜𝑙
(0.01 )
𝐿
𝐶𝑠 = 0.0030 𝑚𝑜𝑙/𝐿
● Ec. para el CSTR:

𝜃𝑘𝐶𝑠 2 + 𝐶𝑠 − 𝐶𝑜 = 0
donde Co es la concentración de salida del PFR

−1 + √1 − 4𝜃𝐶𝑆𝑇𝑅 𝑘𝐶0
𝐶𝑠 =
2𝜃𝐶𝑆𝑇𝑅 𝑘

𝐿 𝑚𝑜𝑙
−1 + √1 − 4(7.27 𝑚𝑖𝑛)(13.9184 )(0.003 )
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑖𝑛 𝐿
𝐶𝑠 = 𝐿
2(7.27 𝑚𝑖𝑛)(13.9184 )
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑖𝑛
𝐶𝑠 = 0.00242 𝑚𝑜𝑙/𝐿

4. Calcule la conversión teórica total de estado estacionario.

𝐶0 − 𝐶𝑠
𝑋=
𝐶0
0.01 − 0.0024
𝑋𝑇 =
0.01
𝑋𝑇 = 0.7584

5. Calcule la diferencia porcentual entre la conversión experimental y la teórica

calculada con los balances de masa.

𝑋 𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 − 𝑋 𝐸𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙
%𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = ∗ 100
𝑋 𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎
0.7584 − 0.65
% 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = ∗ 100
0.7584
% 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 14.29 %

6. Analice el experimento en términos de las condiciones que se plantean al

establecer el modelo ideal de cada uno de estos reactores y las condiciones
 reales presentes durante la experimentación. (O sea, explique el resultado del
punto 5).
En el reactor de tanque agitado no se tiene el mezclado perfecto que toma en cuenta el modelo
teórico, ocasionando zonas muertas en los lugares donde la agitación no sea muy cercana al
agitador magnético, ocasionando que la reacción no se haga de manera perfecta. Esto afecta
a la conversión del reactor tubular también porque entra más concentración de sosa residual
en el experimento que en la teoría, por lo que la conversión experimental será mayor que la
teórica.

Existen diferencias en la conversión del reactor tubular porque el modelo presupone que los
reactivos se van a distribuir perfectamente a lo largo de la longitud del reactor, es decir, de
manera homogénea, mientras que en la realidad, el flujo de reactivos se da de manera
heterogénea, concretamente en forma de remolinos, esto ocasiona que las concentraciones
no sean iguales en el radio de las longitudes donde se encuentran las boquillas del reactor.

7. Determine cuál es el arreglo más adecuado para esta reacción de segundo orden
total.

Después de haber realizado el experimento bajo los 2 arreglos, podemos concluir que es mejor
el arreglo B (Primero CSTR y luego Tubular), ya que así conseguimos mayor conversión que
con el arreglo A (Primero Tubular y luego CSTR).

Excel: https://comunidadunammx-
my.sharepoint.com/:x:/r/personal/elizachloe_comunidad_unam_mx/_layouts/15/Doc.as
px?sourcedoc=%7B1162B309-9C00-4AC5-A8F6-
E889EA79950E%7D&file=P3%20LIQ4.xlsx&action=default&mobileredirect=true