laboratorio de saponificacion

1. Laboratorio de Procesos Químicos II:
“Cinética de la saponificación del
Acetato de etilo”
Nombre: Gustavo Chaparro.
Esteban Lizana.
Javiera Navarro.
Valentina Pezoa.
Profesor: Alejandro Karelovic.
Ayudante: Raydel Manrique.
Fecha: Lunes 2 de Diciembre.
UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN
FACULTADDE INGENIERÍA
DEPTODE INGENIERÍA QUÍMICA

2. 2
Sumario
La saponificacióncorresponde a un proceso químico donde un éster reacciona en un medio alcalino. En
la saponificacióndel acetatode etiloeste reaccionaconhidróxidode sodioparaformaracetato de sodio
y etanol.El equilibriode estareacciónestá muy desplazadohacialosproductoshaciéndolaaptapara su
estudio a nivel de laboratorio.
El objetivoprincipalde estelaboratorioesllevaracabolasaponificacióndel acetatodeetiloconhidróxido
de sodioen un tanque agitadoy estudiarsucinéticaa distintastemperaturasparacalcularsu energíade
activación. Además se comprobará a través de un experimento escalón si el reactor utilizado funciona
efectivamente como un tanque perfectamente agitado.
Para analizar la cinética de la reacción se ajustarán tanto los flujos como la temperatura de la reacción,
utilizando un reactor CEM-MKII de Armfield con soluciones de 0.1 M de cada reactivo. Se medirá la
conductividad del efluente del sistema para luego, mediante la ecuación de Debye-Hücklel-Onsanger,
relacionarla con la conversión de la reacción y posteriormente con la concentración de cada especie en
solución. Luego, con un set de experimentos se linealizará el balance de materia en el reactor y los
parámetros desconocidos se ajustarán mediante el método de mínimos cuadrados.Además, se utilizará
la ecuación de Arrhenius para obtener la energía de activación de la reacción.
Se esperaque el estanqueexhibagransimilitudconunoperfectamenteagitado, esdecir,quenopresente
volúmenesmuertosni canalizacionesyquelaconcentraciónseahomogéneaespacialmente. Conrespecto
a lacinéticade lareacción,se esperaencontrarque éstasigaunaleyde potenciadesegundoordenglobal,
además que la energía de activación sea de 41.65 kJ/mol.

3. 3
Nomenclatura
Símbolo Significado Unidades
𝑪 Concentración
𝑚𝑜𝑙
𝐿
𝑬 𝑨 Energía de activación
𝐽
𝑚𝑜𝑙
𝒌
Constante de velocidad de
reacción
1
𝑠
(
𝑚𝑜𝑙
𝐿
)
1−𝑛
𝒒 Caudal
𝑚3
𝑠
𝒓𝒊 Ley de velocidad
𝑚𝑜𝑙
𝐿 ∙ 𝑠
𝑹 Constante de gases ideales
𝐽
𝑚𝑜𝑙 ∙ 𝐾
𝒕 𝒎 Tiempo medio de residencia 𝑠
𝑻 Temperatura 𝐾
𝑽 Volumen reactor 𝑚3
𝑿 Conversión de la reacción Adimensional
𝜿 Conductividad 𝑆 𝑚−1
𝝀 Conductividad molar iónica
𝑆 ∙ 𝑚2
𝑚𝑜𝑙
𝚲 Conductividad molar
𝑆 ∙ 𝑚2
𝑚𝑜𝑙

4. 4
Índice
Introducción.......................................................................................................................................5
Objetivos ...........................................................................................................................................6
Antecedentes teóricos........................................................................................................................7
Conductividad de soluciones ...........................................................................................................7
Balance de materiaen el reactor perfectamente agitado ..................................................................9
Distribución de tiempos de residenciaen estanque perfectamente agitado .....................................11
Materiales y métodos.......................................................................................................................13
Materiales yequipos.....................................................................................................................13
Procedimientoexperimental .........................................................................................................13
Tratamiento de datosexperimentales................................................................................................15
Resultados esperados.......................................................................................................................18
Bibliografía.......................................................................................................................................24

5. 5
Introducción
Durante miles de años se preparó jabón calentando grasa animal con cenizas de madera. Las cenizas
contienen carbonato de potasio y su disolución acuosa es básica. En el método industrial moderno para
fabricar jabón, las grasas o los aceites se hierven en hidróxido de sodio acuoso, luego se agrega cloruro
de sodiopara precipitarel jabón,que se seca y prensaen formade panes. La producciónde jabónes un
ejemplode unareacción químicautilizadaenla industriaconocidacomo saponificación,donde unéster
se hidroliza en un medio alcalino.
Las reacciones químicas son de gran importancia en la industria de procesos, debido a que de éstas se
obtienensustanciasdeutilidadque sepuedencomercializar,tal comoel jabón.Esde graninterésestudiar
la físico química de las reaccionesy el funcionamientode losreactoresdonde estas reaccionesse llevan
a cabo para poder producir en cantidades, condiciones y a costos óptimos.
La cinética química es aquella rama de la físico-química que estudia la velocidad de las reaccionesy sus
mecanismos. La velocidad de una reacción depende de la naturaleza de las sustancias, temperatura,
concentración de los reactivos y su energía de activación. A través de experimentación es posible
determinar la velocidad de una reacción y su energía de activación.
Por otroladoel estudiode lanoidealidadenlosreactoresesde sumaimportanciaparalaoptimizacióny
productividad, pues permite predecir el comportamientode reactores.Esto se logra a través de análisis
estadísticode la concentraciónde un material inerte -trazador- enel sistemamediante unexperimento
estimulo-respuesta, de donde se obtiene una curva que muestra la función de distribución acumulativa
del trazador que luego se compara con la curva característica del reactor.
De esta forma, para llevar a cabo cualquier reacción química en la industria es necesario estudiar la
cinética de ésta y el comportamiento hidrodinámico del reactor, permitiendo un control completo de la
operación.

6. 6
Objetivos
Objetivo general
Determinarlacinéticade la reacciónde saponificaciónde acetatode etilomediante experimentaciónen
un reactor continuo agitado.
Objetivos específicos
 Obtener la energía de activación de la reacción de saponificación de acetato de etilo.
 Verificar el funcionamiento perfectamente agitado del reactor.

7. 7
Antecedentes teóricos
Conductividad de soluciones
Un conductímetro mide la facilidad que tiene una solución para conducir la corriente eléctrica.
Usualmente constade dos placasmetálicasde una determinadaárea 𝐴,separadaspor una determinada
longitud 𝑙. Este equipo relaciona la resistencia 𝑅 (𝑜ℎ𝑚) del paso de la corriente con los factores
geométricos ya mencionados para medir finalmente la conductividad específica de la solución, 𝜅. Así:
𝜅 =
1
𝑅
𝑙
𝐴
(𝑆 𝑚−1)
La conductividadde unasoluciónesunapropiedadquedepende tantode laconcentracióndeionescomo
de la temperatura. Además,es una función aditiva por lo que se puede asociar como un resultado neto
de la contribución de cada grupo de distintos iones.
Para su análisis teórico, resulta conveniente tratar la conductividad por unidadde molesde compuesto
disuelto en unidad de volumen o equivalentemente concentración 𝐶. Así se define la conductividad
molar:
Λ =
𝜅
𝐶
(
𝑆 ∙ 𝑚2
𝑚𝑜𝑙
)
Para bajas concentraciones aceptando la simplicidad del modelo, se puede relacionar la conductividad
molarconlaconcentraciónde sal,asílaecuacióndeDebye-Hückel-Onsagerestablecelosiguiente (Maron,
1968):
Λ = Λ∞ − (𝐴 + 𝐵 ∙ Λ∞)√𝐶
En donde,
 Λ∞, representa la conductividad molar a dilución infinita (concentraciones muy bajas).
 𝐴 𝑦 𝐵, representan constantes que dependen de la temperatura, viscosidad de la solución y
constante dieléctrica del medio. Éstos se encuentran tabulados en el Apéndice A.
 𝐶, representa la concentración de la sal.

8. 8
Esta funcionalidad había sido derivada empíricamente por Kohlrausch, y funciona bien en electrolitos
fuertes. La comparación entre un electrolitofuerte y débil se hace clara al graficar sus conductividades
molares, tal como se muestra en Figura 1.
Figura 1. Conductividad molar de diferentes especies a 25°C (Levine, 2008).
A partir de ésta, es claro notar que electrolitos fuertes como el cloruro de potasio, presentan una caída
lineal de laconductividadmolaral graficarla frente a la raíz cuadrada de la concentración.Por otro lado,
electrolitos débilescomo el ácido acético, presentan una caída que podría ser modelada en forma de
potencia, esto se debe a que en un electrolito débil el grado de disociación es afectado con l a
concentración y este afecta a la conductividad.
Los valoresde conductividadmolarparadiferenteselectrolitospuedenserobtenidosapartirde losiones
que lo componen, en el caso de electrolitos simples (1:1) se puede expresar de la siguiente forma:
Λ∞ = 𝜆+
∞
+ 𝜆−
∞
En donde, 𝜆+
∞
y 𝜆−
∞
sonlas conductividadesmolaresiónicasdel catiónyanión,respectivamente.Éstas
se encuentran tabuladas a 25°C para una variedad de iones, tal como se muestra en la tabla siguiente
(Lide, 2005):
ION 𝝀∞ (S cm2
mol-1
)
Na+
50.08
OH-
198
CH3COO-
40.9

9. 9
Las conductividades molares iónicas, son usualmente funcionesde la temperatura y es posible modelar
su comportamiento según la forma de Arrhenius (Zhang, 2011), así:
𝜆∞( 𝑇) = 𝐴 ∙ exp (
−𝐸 𝐴
𝑘 ∙ 𝑇
)
En donde,
 𝐴,corresponde a un factor pre exponencial.
 𝐸 𝐴,corresponde a la energía de activación del proceso.
 𝑘, corresponde a la constante de Boltzmann.
 𝑇, corresponde a la temperatura en alguna escala absoluta.
Luego, en una solución de electrolitos la conductividad al ser una propiedad aditiva viene dada por la
siguiente expresión:
𝜅 = ∑ 𝑐𝑖Λ𝑖
En caso de medir la conductividad de una solución se puede resolver la expresión anterior para la
concentración, teniendo en consideración que la conductividad molar es también función de ésta.
Balance de materia en el reactor perfectamente agitado
Considerando la reacción de saponificaciónde Acetato de etilo, ésta se puede ilustrar de la siguiente
forma:
NaOH + CH3COOCH2CH3 → CH3COONa + HOCH2CH3
De forma resumida, se puede expresar como:
𝐴 + 𝐵 → 𝐶 + 𝐷
Cuando el reactor se encuentra en estado estacionario, no existe acumulación de reactivos ni de
productos. Luego, el balance para cada especie viene dado por (Fogler, 2004):
𝑞 ∙ 𝐶𝑖0 − 𝑞 ∙ 𝐶𝑖 + 𝑉 ∙ 𝑟𝑖 = 0
En donde,

10. 10
 𝑞, es el caudal de entrada y salida.
 𝐶𝑖0, es la concentración que entra al reactor de la especie i.
 𝐶𝑖, es la concentración que sale del reactor de la especie i.
 𝑉, es el volumen del reactor.
 𝑟𝑖, es la velocidad de reacción de la especie i.
Se debe tener en cuenta que la velocidad de reacción para una reacción irreversible es función de la
concentración de reactivos y que, para un estanque perfectamente agitado, esta concentración es
idéntica a la que sale de éste.
Dado que el estanque agitado opera en un solo punto (a las condiciones dentro de éste), en la salida
siempre existirá reactivo que influencie en la ley de velocidad, salvo que se trabaje con tiempos de
residencia (razón volumen de reactor-caudal) muy grandes.
Si se considera a la especie B como el reactivo limitante,y se considera X como la conversión, se puede
construir la siguiente tabla estequiométrica:
ESPECIE ENTRA CAMBIO SALE
CONCENTRACIÓN A LA
SALIDA
𝑨 𝑞 ∙ 𝐶 𝐴0 −𝑞 ∙ 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋 𝑞 ∙ 𝐶 𝐴0 − 𝑞 ∙ 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋 𝐶 𝐴0 − 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋
𝑩 𝑞 ∙ 𝐶 𝐵0 −𝑞 ∙ 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋 𝑞 ∙ 𝐶 𝐵0 ∙ (1− 𝑋) 𝐶 𝐵0 ∙ (1 − 𝑋)
𝑪 - 𝑞 ∙ 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋 𝑞 ∙ 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋
𝑫 - 𝑞 ∙ 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋 𝑞 ∙ 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋
Por los motivos ya comentados, la conversión difícilmente será unitaria, es por esto que a la salida del
reactor existirá tanto del reactivo A como B. Se debe notar que para cuantificar la operación, y por lo
tratado anteriormente, las especies A y C (Hidróxido de Sodio y Acetato de Sodio, respectivamente)
influencian directamente la conductividad del efluente del reactor, por lo que una medición de esta
propiedad permite el estudio de la cinética dentro de éste.
Al estudiar la ley de velocidad usualmente se puede considerar como una ley de potencia, es decir,
depende de la concentración de los reactivos elevados a alguna potencia. Para la reacción que se ha
ejemplificado, se tiene que:
𝑟𝑖 = ∓𝑘[ 𝐴] 𝑎[ 𝐵] 𝑏

11. 11
En donde,
 𝑘, corresponde a la constante de velocidad.
 [ 𝐴], [ 𝐵], corresponden a la concentraciones del reactivo A y B, respectivamente.
 𝑎, 𝑏, corresponden al orden parcial del reactivo A y B, respectivamente.
La velocidad de reacción se debe considerar negativa en el caso de reactivos y positiva en el caso de
productos.
La constante de velocidad es función de la temperatura y se puede correlacionar mediante la forma de
Arrhenius, así:
𝑘( 𝑇) = 𝑘0exp(
−𝐸 𝐴
𝑅 ∙ 𝑇
)
En donde,
 𝑘0,se conoce como factor pre exponencial o factor de frecuencia.
 𝐸 𝐴,corresponde a la energía de activación de la reacción.
 𝑅, corresponde a la constante de los gases ideales.
 𝑇, corresponde a la temperatura en alguna escala absoluta.
Distribución de tiempos de residencia en estanque perfectamente agitado
La distribución de tiempos de residencia (DTR) permite mediante un análisis estadístico estudiar el
comportamiento hidrodinámico dentro de un recipiente. Así, a partir de ésta es posible diagnosticar el
funcionamiento de un reactor, pudiendo estudiar posibles volúmenes muertos o canalizaciones. Para la
determinación de la DTR experimental se realizanexperimentos de estímulo-respuesta mediante el uso
de trazadores.Se puede hacerusode unaseñal escalónalaentradaymediralgunapropiedaddeltrazador
a la salida de éste. Dicho experimento se encuentra esquematizado en la Figura 2.

12. 12
Figura 2. Estimulo respuesta en experimento escalón (Fogler, 2004).
Conel objetivodetrabajarconvariablesnormalizadas,esconveniente definirlacurvade respuestaF,que
mide la fracción de concentración a la salida 𝐶,con respecto a la que entra, 𝐶 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙ó𝑛. Así:
𝐹 =
𝐶
𝐶 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙ó𝑛
Luego, se puede relacionar esta curva F, con la curva E (llamada así por la distribución de edades, o
equivalentemente DTR) mediante la siguiente relación:
𝐹 = ∫ 𝐸𝑑𝑡
𝑡
0
⟺
𝑑𝐹
𝑑𝑡
= 𝐸
Para un reactor continuo perfectamente agitado, estas curvas se encuentran desarrolladas de manera
teórica, de modo que (Fogler, 2004):
𝑭 = 𝟏 − 𝐞𝐱𝐩(−
𝒕
𝒕 𝒎
) 𝑬 =
𝟏
𝒕 𝒎
𝐞𝐱𝐩(−
𝒕
𝒕 𝒎
)
En donde,
 𝑡, corresponde al tiempo.
 𝑡 𝑚,corresponde al tiempo medio de residencia en el reactor.

13. 13
Materiales y métodos
Materiales y equipos
 Reactor continuo perfectamente agitado CEM-MKII de Armfield.
 Conductímetro Manual.
 Vaso de precipitado.
 Balanza digital.
 Hidróxido de sodio.
 Acetato de etilo.
 Agua destilada.
 Cloruro de potasio.
Procedimiento experimental
Calibración conductímetro
Lavar y calibrarel conductímetroconunasoluciónde KCl de concentraciónconocida,paraestose diluyen
0.74365 gramos de KCl en 100 mL de agua y se ajusta para que el conductímetro mida 12.852 mS/cm.
Estudio de la cinética de la reacción
1. Preparar lassolucionesde reactivos hidróxidode sodio yacetatode etilo a 0.1 M, llenandocada
recipiente consurespectivasoluciónhastalos2 litros. Paraestodiluir7.994 gramosde NaOHen
2 litros de agua y 19.55 mL de CH3COOCH2CH3 en 1.98 litros de agua, respectivamente.
2. Encender el computador, conectarlo al equipo Armfield e iniciar el software Armsoft.
3. Se deben establecer las condiciones de operación del equipo, por lo que se ingresan las
concentraciones de reactivos de 0.1 My los flujos de 60 mL/min.
4. Ingresar la temperatura del reactor a 25°C.
5. Ingresar el volumen de reactor el cual es 1 L o equivalentemente 1 dm3
.
6. Configurar el agitador en un 50% y verificar que esté encendido.
7. Operar el controlador de agua caliente de modo automático.
8. Cambiar el switch del equipo a “On”.
9. Iniciar el experimento al hacer click en “Power on”.

14. 14
10. Una vez llenado el reactor, medir conductividad a la corriente de salida.
11. Una vez que se llegue al estado estacionario, es decir, el valor de la conductividad siga una
tendencia de valor constante el experimento ha finalizado.
12. Repetir el procedimiento variando la temperatura del reactor a 27, 30, 25 y 40°C.
Experimento con trazador
1. Se preparauna soluciónde 0.1 M de hidróxidode sodio,paraesto diluir7.994 gramos de NaOH
en 2 litros de agua destilada.
2. Operar en estado estacionario el reactor con agua destilada con las mismas condiciones
establecidas anteriormente.
3. Realizar un cambio escalón poniendo en marcha el flujo de la solución de hidróxido de sodio.
4. Medir la conductividad de la solución en el efluente del reactor.
5. Detener el experimento cuando la conductividad leída sea equivalente a la medida alcance un
valor estacionario.
Figura 3. Diagrama de proceso experimental.
En la Figura3 se puede observarel diagrama de procesoexperimental,enel cual cadareactivoestáensu
recipiente yatravésde manguerassonabsorbidos yllevadoshaciael reactorcontinuo agitadomediante
bombas peristálticas, una vez llenado el reactor comienza a caer el producto y es medido con un
conductímetro manual. Además, el reactor es controlado por el software Armsoft instalado en el
computador donde se establecen las condiciones de operación del experimento.

15. 15
Tratamiento de datos experimentales
Determinación de la concentración de salida
Para obtenerlaconcentraciónde salidadel sistemaesnecesariorecurrira la ecuación de Debye-Hückel-
Onsager:
Λ = Λ∞ − (𝐴 + 𝐵 ∙ Λ∞)√𝐶
Ecuación 1
Donde 𝐴 y 𝐵 se encuentrantabuladosadistintastemperaturasparaaguaenel Apéndice B.Se debe tener
encuenta que el conductimetronormalizaautomáticamente lasmedidasala temperaturade 25°C, para
una mayor certeza de los resultados se vuelve al valor real a la temperatura del efluente usando la
corrección a la inversa, así:
𝜅 = 𝜅 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑜 ∙
100 + 1.978 ∙ (𝑇 − 25)
100
En donde,
 𝑇, es la temperatura del efluente.
 𝜅 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖 𝑑 𝑜,es la conductividad normalizada por el conductimetro.
 𝜅, es la conductividad real a la temperatura del efluente.
Luego, para una mezcla de electrolitos se tiene que:
𝜅 = ∑ 𝑐𝑖Λ𝑖
Ecuación 2
Además, a partir del balance de materia del reactor, se tiene que la concentración de cada especie
ionizada (Hidróxido de Sodio y Acetato de Sodio, respectivamente) a la salida es:
𝐶 𝐴 = 𝐶 𝐴0 − 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋 ; 𝐶 𝐶 = 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋
Reemplazando estas ecuaciones en (1) y en (2) es posible obtener los valores de conversión a la
conductividad medida y así obtener la concentración de cada especie en el efluente del reactor.

16. 16
Determinación de la cinética de reacción
De los experimentos con igual flujo, es posible obtener la constante de velocidad y el orden global de
reacción. A partir del balance de materia se tiene:
𝑞 ∙ 𝐶𝑖0 − 𝑞 ∙ 𝐶𝑖 + 𝑉 ∙ 𝑟𝑖 = 0
Se debe considerar que si bien se cuenta con solucionesde 0.1 M de la especie A y B, la concentración
que entra al reactor se encuentra diluida pues existe un flujo independiente de cada reactivo, así:
𝑞 = 𝑞 𝐴 + 𝑞 𝑏
𝐶 𝐴0 =
𝑞 𝐴
𝑞 𝐴 + 𝑞 𝑏
∙ 0.1𝑀
Además, la velocidad de reacción está dada por:
𝑟𝑖 = ∓𝑘[ 𝐴] 𝑎[ 𝐵] 𝑏
Igualando ambas ecuaciones para el reactivo A (Hidróxido de Sodio) y considerando 𝜏 como el tiempo
espacial:
( 𝐶 𝐴0 − 𝐶 𝐴)
𝜏
= −𝑟𝐴
Linealizando la ecuación, con 𝑎 + 𝑏 = 𝑛, tenemos:
ln( 𝐶 𝐴0 − 𝐶 𝐴)− ln 𝜏 = ln −𝑟𝐴
Además, para obtener la energía de activación, se utiliza la ecuación de Arrhenius:
𝑘( 𝑇) = 𝑘0exp(
−𝐸 𝐴
𝑅 ∙ 𝑇
)
Linealizando esta ecuación se obtiene:
ln 𝑘 = ln 𝑘0 −
𝐸 𝐴
𝑅 ∙ 𝑇
Luego, en condicionessimilares de concentraciones se puede graficar ln−𝑟𝐴 versus el recíproco de la
temperatura. Al multiplicar la pendiente de la recta ajustada por la constante de los gases ideales se
encuentra el valor experimental de la energía de activación.

17. 17
Comprobación de RCPA
Para comprobarque el reactor utilizadoesefectivamente unreactorcontinuoperfectamente agitado,es
necesario realizar experimentos con trazador. De los datos obtenidos de concentración, se puede
construir la curva F(t):
𝐹 =
𝐶
𝐶 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙ó𝑛
Además,esnecesariocompararlosvaloresde tiempomedio de residenciaytiempoespacialparaevaluar
lapresenciade posiblesvolúmenesmuertos.De estaforma,seajustanlosdatos experimentalesalaforma
de la curva F ideal para un estanque perfectamente agitado mediante el método de los cuadrados
mínimos.
𝐹 = 1 − exp(−
𝑡
𝑡 𝑚
)
Luego, el tiempo espacial es:
𝜏 =
𝑉
𝑞
Luego para que no haya ninguna desviación de idealidad, se debe cumplir que:
𝜏 = 𝑡 𝑚

18. 18
Resultados y discusión
Se realizaron experimentos a distintas temperaturas, a partir de las mediciones de conductividad se
obtiene el avance del sistemahastaunestadoestacionario,tal comose muestraen el siguiente gráfico.
Figura 4. Avance de conductividad en efluente de reactor con flujos a 60 mL/min y agitación al 50%.
A partirde la Figura4, se debe notarque a mayortemperaturase obtieneunamenorconductividadleída
porel equipo,estose debeaque, peseaque laconductividadesunafuncióncrecientede latemperatura,
a mayortemperaturaexisteunamayorvelocidadde reacción,loqueimplicaunamenorcantidad de iones
presentesenla solución.Además,estaconductividadleídase encuentranormalizadaa 25°C, por lo que
es necesario considerar estos dos efectos que juegan en direcciones opuestas al observar las
conductividadesrealesde cada experimento.Lasconductividadesreales enestadoestacionario de cada
experimento se encuentran en la siguiente tabla.
TEMPERATURA REACTOR [°C] 25 27 30 35 40
TEMPERATURA EFLUENTE [°C] 20 22 23.5 29.5 32
CONDUCTIVIDAD REAL [mS/cm] 6.50 6.50 6.59 7.22 7.03
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
0 5 10 15 20 25
κ[mS/cm]
Tiempo [min]
Avancede conductividad en efluente de reactor
25°C
27°C
30°C
35°C
40°C

19. 19
Al resolver la ecuación de Debye-Hückel-Onsager considerando la temperatura del efluente y con los
datos de las conductividades reales, se elabora la siguiente tabla resumen.
TEMPERATURA [°C] 25 27 30 35 40
TEMPERATURA DE
REACCIÓN [°C]
24.8 26.4 28.5 34.8 37
FLUJO [mL/min] 109.28 106.66 106.93 105.43 105.61
𝑪 𝑨𝟎 [mol/L] 0.0529 0.0524 0.0523 0.0526 0.0524
CONVERSIÓN 0.77 0.79 0.81 0.86 0.92
𝑪 𝑨 [mol/L] 0.0163 0.0145 0.0136 0.0117 0.00833
𝑪 𝑩[mol/L] 0.0105 0.0097 0.0088 0.0065 0.00335
−𝒓 𝑨 [mol/L s] 6.65∙10-5
6.72∙10-5
6.90∙10-5
7.19∙10-5
7.77∙10-5
Al graficar los datos, y ajustar mediante una recta se obtiene la siguiente figura:
Figura 5. Ajuste velocidad vs temperatura para reacción en reactor continuo agitado.
A partir de la pendiente del gráfico,se obtiene que parael set de experimentosla energíade activación
esde 8.55 kJ/mol,este valordistabastante,siendounquinto delvalorencontradoporotrosautores (Das
et al, 2011), quienes en una variedad de experimentos obtuvieron una energía de activación de 41.65
kJ/mol.
-9.64
-9.62
-9.6
-9.58
-9.56
-9.54
-9.52
-9.5
-9.48
-9.46
-9.44
0.0032 0.00322 0.00324 0.00326 0.00328 0.0033 0.00332 0.00334 0.00336 0.00338
ln(-rA)
T-1 [K-1]
Ajustevelocidad de reaccion vs temperatura

20. 20
Si se asume una cinética de primer orden para cada reactivo la constante de velocidad para cada la
reacción se obtienen las siguientes constantes de velocidad.
TEMPERATURA DE REACCIÓN [°C] 𝒌 [L mol-1
s-1
]
24.8 0.3870
26.4 0.4733
28.5 0.5727
34.8 0.8818
37 2.7763
Estos valores, discrepan con los valores encontrados por otros autores (Das et al, 2011), siendo mayor
cinco veces mayor para la reacción a 28.5°C y diez veces mayor par la reacción a 37°C. Si se consideran
estosvalorespara el cálculode la energíade activación,medianteunajuste de Arrheniusse obtieneuna
energía de activación de 103.36 kJ/mol, claramente si se asume la cinética de segundo ordenla energía
de activación se ve sobreestimada respecto al valor encontrado por otros autores, siendo
aproximadamente dos veces y media este valor.
Estas discrepanciasenlosdatoscinéticosde la reacción,podríansugeriralgúnerrorexperimental oalgún
error teóricodel tratamientode datos.En el tratamientode datosse considerarontanto,loscambiosde
temperaturayladependenciade todoslosparámetrosde laecuaciónde Debye-Hückel-Onsagerconésta,
y además se puede verificar su validez en el tratamiento de datos del experimento con trazador.
Al realizarunestudiohidrodinámicodel reactor a 25°C y agitaciónal 50%, haciendousode hidróxidode
sodio como trazador se puede construir el siguiente gráfico.

21. 21
Figura 6. Curva función de distribución acumulativa del trazador.
A partir de la Figura 6 se debe notar que el set de datos experimentales puede ser modelado de muy
buena manera por el ascenso exponencial característico de un reactor continuoperfectamente agitado.
Mediante mínimoscuadradosse obtieneque el tiempomediode residenciaesde 9.02minutos, mientras
que el tiempoespacial del reactorenlas condicionesdel experimentoes de 9.13 minutos. Esta pequeña
discrepancia(menoral 1.2%) se consideradespreciabley,apartirdelestudiodeladistribucióndetiempos
de residencia,se puede concluir que el reactor si opera en condicionesideales. Es por esto que en el
reactor no existen ni volúmenes muertos ni canalizaciones de reactivo.
Como se mencionó anteriormente, se convirtieron las conductividades a concentración mediante la
ecuación de Debye-Hückel-Onsager, en las cercanías del estado estacionario la concentración obtenida
fue de 0.0504 mol/L, mientras que la concentración que entra al sistema es de 0.0509 mol/L. Con este
resultado se observa la validez de los parámetros utilizados en la conversión de conductividades a
concentración,conloque se asume correctapara el tratamientode lasconductividadesenel efluentede
la reacción.
Con este resultado,se puede concluir que existe unerror experimental enel estudiode lacinéticade la
reacción,sinembargo,pocose puede decirenque parte existeeste errorpuestoque las conductividades
medidas presentan una tendencia y no son valores oscilantes, por lo que en el momento de realizar el
experimentonose cuestionaronsuvalidezyfue reciénenel tratamientode estosdatos que fue posible
percatarse de posibles discrepancias.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 10 20 30 40 50
F
Tiempo [min]
Ajustecurva F

22. 22

23. 23
Conclusión
A partirde laserie de experimentosrealizadosse puedeconcluirque:
 El reactor continuoagitadode Armfield,conuna agitaciónal 50% operaencondicionesideales.

24. 24
Bibliografía
Fogler, H., “Elements of chemical reaction engineering”, 4ta Edición, Capítulo 2-13-14, Prentince Hall,
EEUU (2004).
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Lide,D. R.,“CRC Handbookof ChemistryandPhysics,InternetVersion2005”, Sección5, CRC Press, EEUU
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Maron, S., Prutton, C., “Fundamentos de fisicoquímica”, Capítulo 11, Editorial Limusa, México (1968).
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Boyes, W., “Instrumentation reference book”, 4ta Edición, Capítulo 24, El Sevier, Reino Unido (2010).
Robinson,R.A.,Stokes,R.H., “Electrolyte Solutions”,2daEdición,Capítulo7, DoverPublications,Estados
Unidos (2002).

25. 25
Apéndice A. Conductividad molar iónica a
distintas temperaturas.
De laliteraturase tiene datosde lasconductividadesmolaresenScm2
mol-1
(Boyes,2010).
TEMPERATURA °C
ESPECIE 0 5 15 18 25 35 45
Na+
26.5 30.3 39.7 42.8 50.1 61.5 73.7
OH-
105 165.9 175.8 199.1 233 267.2
CH3COO-
20.1 35 40.9
Al linealizarlaexpresiónse Arrheniusse obtiene el siguiente gráfico.
Así, laforma de Arrheniusquedadescritapor:
𝜆∞( 𝑇) = 𝐴 ∙ exp (
−𝐸 𝐴
𝑘 ∙ 𝑇
)
ESPECIE A [S cm2
mol -1
] Ea/k [K]
Na+
3.86∙104
1985.2
OH-
7.26∙104
1766.4
CH3COO-
1.07∙105
2341.3
0
1
2
3
4
5
6
0.0031 0.0032 0.0033 0.0034 0.0035 0.0036 0.0037
ln(λ)
1/T
Linealización forma de Arrhenius
Na+
OH-
CH3COO-

26. 26
Apéndice B. Parámetros ecuación Debye-
Hückel-Onsager.
De laliteraturase encuentranlossiguientesvaloresadiferentestemperaturas(Robinson, 2002)
TEMPERATURA [°C] A [S cm2
mol-1
] B
25 60.65 0.2300
30 67.91 0.2321
35 75.52 0.2343
38 80.25 0.2357
40 83.46 0.2366

27. 27
Apéndice C. Ejemplos de cálculo.
Cálculo de conversión del reactor
Se debe tener en cuenta que en todos los experimentos, el flujo de hidróxidode sodio fue mayor al de
acetatode etilo,porloque este últimocorresponde al reactivolimitante.Sedebeusarlatemperaturadel
efluente para obtener los parámetros de la ecuación de la ecuación de Debye-Hückel-Onsager, estos
últimos se obtienen según los datos tabulados en los apéndices A y B.
Para el caso enque la temperaturade lareacciónse configuroa 35°C, latemperaturadel efluente fuede
29.5°C, a esta temperatura se tienen los siguientes parámetros:
A 67.16
B 0.2319
𝚲∞
𝑵𝒂𝑶𝑯 265.96
𝚲∞
𝑪𝑯𝟑𝑪𝑶𝑶𝑵𝒂 101.21
Se tiene una ecuación no lineal con respecto a la conversión de acetato:
𝜅 = (Λ∞
𝑁𝑎𝑂𝐻 − ( 𝐴 + 𝐵 ∙ Λ∞
𝑁𝑎𝑂𝐻)√ 𝐶𝐴0 − 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋 ) ∙ ( 𝐶 𝐴0 − 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋) +
(Λ∞
𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝑁𝑎 − ( 𝐴 + 𝐵 ∙ Λ∞
𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝑁𝑎)√ 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋 ) ∙ ( 𝐶 𝐵0 ∙ 𝑋)
Al resolverla para los datos tabulados, y considerando que la conductividad real a esta temperatura de
7.22 mS/cm, se obtiene una conversión de 0.86. Este procedimiento se repite para todos los datos de
conductividadconsusrespectivas temperaturasyse obtienenasílasconversionesde cadaexperimento.
Determinación de energía de activación
Como a partir de este momentoya se cuentacon losdatos de las conversionesparatodoslos sistemas,
por lo tanto el balance de materia queda completamente descrito en el reactor, luego se obtiene el
termino de velocidad de reacción para cada experimento:
ln( 𝐶 𝐴0 − 𝐶 𝐴)− ln 𝜏 = ln −𝑟𝐴

28. 28
Para el caso enque el reactorse configuróa35°C, la concentraciónconque el hidróxidode sodioentraal
reactor esde 0.0526 M, en el efluente saleconunaconcentraciónde 0.0117 M yel tiempoespacial esde
569.08 segundos. Así, la velocidad de reacción para este experimento es de 7.19∙10-5
mol/L s.
Al repetir el procedimiento para los otros experimentos, se tiene un set de datos de la velocidad de
reacción. Esta velocidad de reacción es función de la concentración de reactivo y de la temperatura.
Luego,porlaformade Arrheniusse obtienela Figura5.Lapendientede estarectaesde 1029.5 K-1
,luego:
𝐸 𝐴 =
𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 ∗ 8.314
1000
= 8.55
𝑘𝐽
𝑚𝑜𝑙
Distribución de tiempos de residencia
Al reactor entra un flujo de 55.78 mL/min de una solución 0.1M de NaOH y 53.69 mL/min de agua
destilada. Luego:
𝐶 𝐴0 =
55.78 ∙ 0.1𝑀
55.78 + 53.69
= 0.0509 𝑀
Las conductividadesmedidasse llevanaconcentraciónmediante laecuaciónde Debye-Hückel-Onsager,
luego:
𝜅 = [Λ∞ − ( 𝐴 + 𝐵 ∙ Λ∞)√𝐶]∙ 𝐶
En donde,
𝚲∞ 248.08 [S cm2
mol-1
]
A 60.65 [S cm2
mol-1
]
B 0.23
Resolviendo, para cada dato leído en el laboratorio y dividiendo por la concentración que ingresa al
sistema se construye la curva F.
Luego, ajustando a la curva ideal:

29. 29
𝑡 𝑚 = −[ln 1 − 𝐹𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙]/[𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜]
Con lo que se obtiene un tiempo medio de residencia de 9.02 minutos.
Para obtener el tiempo espacial, se debe considerar que el volumen del reactor es de 1 dm3
. Luego:
𝜏 =
𝑉
𝑞
= 9.13 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠