Este informe describe un experimento con dos reactores tipo CSTR conectados en cascada y en serie para llevar a cabo una reacción de primer orden. La concentración a la salida del primer reactor alimenta al segundo reactor. Dado que los reactores son iguales en tamaño y operan a la misma temperatura, la concentración disminuye en cada paso de forma escalonada. El objetivo es determinar el grado de conversión del acetato de etilo midiendo los caudales a la salida de cada reactor.

1.
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA
CARRERA DE INGENIERÍA PETROQUÍMICA
LABORATORIO DE
REACTORES QUÍMICOS
INFORME N​o​
7
FUNCIONAMIENTO DE REACTORES EN SERIE CASCADA DE DOS TANQUES
GRUPO: ​10
1. FLORES CHOQUE MARCIA KARINA
2. CAZÓN MAMANI NELLY
3. ORTUSTE MARTÍNEZ JHONATHAN ETSON
4. ARANIBAR ANCIETA ERWIN VLADIMIR
5. HEREDIA PEREZ GARY DIBAR
Cochabamba, 30/01/2021

2. RESUMEN
En este informe se realiza el siguiente experimento.
Consideremos un arreglo de dos reactores tipo CSTR conectados en cascada y en serie, en
los cuales se lleva a cabo una reacción de primer orden con respecto al reactivo A.
Con lo que la concentración a la salida del primer reactor es,
CA1 = CAo
1+ t1 k1
Donde T1= V1/ Vo. Si ambos reactores son de igual tamaño (T1 =T2= T) y operan a la
misma temperatura ( K1= K2= K) , entonces:
​ A2
C = CAo
(1+ t k)
2
Se considera un mezclado completo y una reaccion isotermica durante el transcurso de
la reacción.
INTRODUCCIÓN
La cascada de dos tanques continuos donde los reactantes alimentan continuamente al
primer tanque, desde el cual fluye a través del otro reactor en serie, manteniendo una
agitación adecuada en cada uno de ellos para lograr la uniformidad de concentración,
considerando el sistema como un todo, existe un gradiente de concentración escalonado.
Ambos reactores trabajan al mismo volumen.
ANTECEDENTES
El reactor de flujo en pistón es más eficaz en los sistemas en que la velocidad aumenta
con la concentración. Sin embargo en ocasiones el flujo en pistón es difícil de mantener
por lo que es necesario optar por otras soluciones. Una de tales situaciones es el manejo
de reacciones exotérmicas ya que resulta difícil mantener la isotermicidad junto al flujo
1

3. en pistón. En este caso una buena solución es una serie de reactores mezcla perfecta del
mismo volumen y con refrigeración intermedia. Considérese un sistema constituido por
N reactores MP conectados en serie. Aunque la concentración es uniforme en cada uno
de ellos, hay una variación al pasar de un reactor a otro. Al aumentar en número de
reactores el comportamiento de la concentración se aproxima cada vez más al flujo
pistón.
Es decir el perfil de concentraciones a lo largo del sistema se aproxima más al perfil en el
interior de un reactor de flujo pistón.
Supongamos que la serie de N tanques agitados de mezcla perfecta tienen todos los
mismos volúmenes, V, todos trabajan a la misma temperatura, el sistema es de densidad
constante y la reacción es de primer orden. Si la densidad es constante el caudal
volumétrico también, por tanto, el tiempo espacial es el mismo para todos los reactores y
además es igual al tiempo medio de residencia.
OBJETIVO
● Determinar el grado de conversión del acetato de etilo en un sistema de tanques
en serie en el estado estacionario.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
● Mostrar el aumento de la concentración escalonada en una cascada de dos
tanques agitados.
● Realizar la medición de los caudales a la salida de cada reactor.
FUNDAMENTO TEÓRICO
​REACTOR DE MEZCLA COMPLETA O CSTR
Un Reactor de Mezcla Completa o CSTR es un recipiente en donde se pueden realizar
reacciones cinéticas y algunos otros tipos.
La simulación de un reactor de mezcla completa requiere que se especifiquen las
velocidades de cada una de las reacciones, además de su estequiometría y los parámetros
incluidos en la ecuación de diseño del reactor.
Un reactor de mezcla completa es un tanque dotado de un mecanismo de agitación que
garantiza un mezclado que haga que toda la masa reaccionante sea uniforme en sus
propiedades.
2

4. Un reactor de mezcla completa opera en forma continua, es decir, los flujos de entrada
de reaccionantes y salida de productos son permanentes. Se asume que la corriente de
entrada es perfecta e instantáneamente mezclada con la masa presente en el reactor, de
tal manera que la concentración de la corriente de salida es igual a la concentración de la
masa reaccionante dentro del reactor.
La conversión que se alcanza en un reactor de mezcla completa depende del volumen, el
tiempo espacial y la velocidad de reacción en el reactor, además del flujo y la
concentración del alimento. Estos factores están relacionados en la ecuación de diseño
propia de este tipo de reactor y que se escribe, más adelante, en el planteamiento del
modelo
Modelo matematico de Reactor de Mezcla Completa
En un reactor de mezcla completa, los flujos de cada uno de los componentes en la
corriente de salida son los de la corriente de entrada mas el producido o consumido neto
en la reacción, de acuerdo a la velocidad de ésta y al volumen de masa reaccionante en el
reactor.
El balance de materia para cada componente se puede escribir, por lo tanto, de la
siguiente manera​:
El subíndice “​p”​, se refiere a la corriente producto; ​“o”​, a la corriente de entrada; “​i”​, a
cada uno de los componentes; “​V” ​el volumen de masa reaccionante en el reactor y “r i”​,
la velocidad de reacción neta del componente “​i”​. Esta velocidad se expresa en términos
de la velocidad de reacción para el componente límite y teniendo en cuenta los
coeficientes estequiométricos en cada una de las reacciones.
El balance calórico se puede escribir de la siguiente forma, estableciendo el balance de
entalpía entre las corrientes de entrada y salida al reactor:
3

5. Siendo h​o​, h​p las entalpías molares del componente “​i” ​en la entrada y salida,
respectivamente y “​Q”​, el calor absorbido o liberado en el reactor y ​“reacción ​Δ​H”​, el
calor​ ​de reacción y ​“r” ​la velocidad neta de reacción del componente límite
La ecuación de diseño de un reactor de mezcla completa es dada por:
Siendo ​“V”​, el volumen del reactor; “​”​, el tiempo espacial; “​Fo”​, ​“Co”, ​el flujo molar y la
concentración molar de reactivo límite en la corriente de entrada, respectivamente; ​“X” ​y
“​r” ​la conversión y la velocidad de reacción, respectivamente, del reactivo límite en el
reactor.
Análisis de variables de diseño en un Reactor de Mezcla Completa
Un análisis de variables de diseño alrededor del desarrollo de una reacción cinética en
un reactor de mezcla completa, nos muestra que el número de variables incluidas en el
planteamiento del modelo (Corrientes, Volumen y Velocidad de Reacción) dan un total de
N e ​= 2(​C ​+ 2) +1+1+1 = 2​C ​+ 7 ​v . ​Del sistema de ecuaciones que constituye el modelo
(Balances y Diseño del Reactor) se deducen un total de ​N e ​= ​C ​+ 2 ​c ​. Por lo tanto, el
número de variables de diseño en un reactor de equilibrio es de ​N e ​= ​C ​+ 5 ​i .
Considerando que para cumplir con el propósito de un reactor de mezcla completa se
conocen las especificaciones de la corriente de entrada, entonces resulta que el número
de variables de diseño en un reactor de mezcla completa es de: ​e ​= 3
i N ​Las variables que generalmente se especifican para completar la especificación del
reactor de mezcla completa son la magnitud del flujo calórico, la caída de presión en el
reactor o la presión de la corriente de salida y el volumen del reactor Las
especificaciones de las fases líquido y vapor en equilibrio físico correspondientes a la
corriente de salida se determinan mediante un cálculo de evaporación espontánea.
4

6.
Representación del sistema de Cascada de dos Tanques Agitados Continuos
De acuerdo a la ecuación de diseño de un tanque de mezcla completa,
Primer reactor está definido:
Segundo reactor está definido como:
5

7.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
H COOC H aOH→C H OH H COONa
C 3 2 5 + N 2 5 + C 3
Cl aOH→H2O aCl
H + N + N
MATERIAL
● 4 Buretas graduadas de 25 ml
● 4 Soportes universales
● 4 Pinzas metálicas
● Vasos precipitado de 100 ml y 250 ml
● Matraz Erlenmeyer de 50 ml y 100 ml
● 4 Matraz aforado de 50 ml
● Probetas de 5 ml y 100 ml
● 1 Pipeta volumétrica de 5 ml
● 1 Propipeta
● 1 Varilla
● 1 Vidrio de reloj
6

8. ● 1 Espátula
Equipos
● Sistema de dos reactores TAC conectados en serie
● Un Sistema de alimentación
● Un cronómetro
● Una balanza analítica
Reactivos
● NaOH (Comercial)
● Acetato de Etilo
● Agua destilada
● Indicador Fenolftaleína
● Ácido clorhídrico
PROCEDIMIENTO
Sistema de alimentación
● Llenar los tanques de alimentación con agua potable
● Regular los​ ​flujos de los dos tanques de alimentación (A, B)
● Una vez definidos los flujos de cada tanque procedemos a unir con un tubo en T
de vidrio, comunicado al reactor.
● Llenar el reactor a 1L de reacción, inmediatamente succionar con ayuda de una
jeringa de succión.
● Regular el flujo de salida hasta igualar al flujo de entrada del reactor.
● Una vez regulado los flujos de alimentación cerrar las llaves principales y
vaciar toda el agua potable, para poder depositar los reactivos de alimentación.
7

9. Preparación de las concentraciones de alimentación
● De acuerdo a los flujos de alimentación se calculará las concentraciones de
cada reactante de acuerdo con las siguientes ecuaciones (Provenientes del
balance de masa)
● El sistema de reacción será equimolar por lo tanto las concentraciones iniciales
C​A,o​, C​B,o​ tendrán un valor de 0.1 M
● Una vez determinadas las concentraciones, preparar 5 litros para cada reactivo
acetato de etilo e hidróxido de sodio.
Funcionamiento del reactor
● Una vez preparadas las soluciones de acetato de etilo e hidróxido de sodio
cargar a cada tanque de alimentación.
● Llenar cada reactor con un volumen de 0.8 litros de agua destilada
● Iniciar la agitación para ambos reactores
● Abrir las válvulas principales de los alimentadores, inmediatamente conectar
la salida del reactor 1 al reactor 2, y succionar del mismo con la jeringa. Poner
en marcha el cronómetro.
Determinación del grado de conversión
● Se tomará alícuotas de 5 ml para luego titular con ácido 0.1M de la salida del
segundo reactor al cabo de 3 minutos
8

10. ● Tomar en intervalos de 3 minutos hasta que no haya variación del volumen
gastado de ácido clorhídrico. Una vez alcanzado el estado estacionario en el
segundo reactor, sacar una alícuota del primer reactor y de la misma manera
titular con ácido clorhídrico.
DATOS
DATOS REACTOR 1
9
t[seg] Vol. Alícuota [ml] Vol. HCl [ml]
1836 5 1,2
2000 5 1,3
2233 5 1,3
2398 5 1,5
t[seg] Vol. Alícuota [ml] Vol. HCl [ml]
240 5 0,2
380 5 0,5
567 5 0,4
764 5 0,6
912 5 0,6
1094 5 0,9
1310 5 0,9
1500 5 1

11.
DATOS REACTOR 2
H COOC H aOH→C H OH H COONa
C 3 2 5 + N 2 5 + C 3
Cl aOH→H2O aCl
H + N + N
RESULTADOS
Preparación de soluciones:
50ml de HCl (0.10 M)
V V
C1 1 = C2 2
1.91 M, C .1 M, V 0ml
C1 = 1 2 = 0 2 = 5
.42 ml HCl concentrado
V 1 = C1
C V
2 2
= 11.91 M
(0.1 M)(50ml)
= 0
5L de Acetato de Etilo (0.10 M)
.10 L 8.11 4.055 gr Acetato de etilo
mAcetato de etilo = n * M = (C )
* V * M = 0 L
mol
* 5 * 8
g
mol = 4
i ρ ≅1 V 4.06 ml
S : Acetato de etilo
g
ml Acetato de etilo = 4
5L de NaOH (0.10 M)
.10 L 0 0.0000 gr NaOH
mNaOH = n * M = (C )
* V * M = 0 L
mol
* 5 * 4
g
mol = 2
10
1640 5 0,9

12. Cálculos Experimentales
● Flujo de tanque A (AceEti) QA = 1 ml/seg
[ ]
● Flujo de tanque B (NaOH) QB = 1 ml/seg
[ ]
● Flujo de salida de reactor 1 Qsalida 1 = 2 ml/seg
[ ]
● Flujo total a la salida del reactor 2 Qsalida 2 = 2 ml/seg
[ ]
Conversión experimental
La reacción es equimolar la C​A​ = C​B​, siendo la concentración C​B​ hidróxido de sodio
CNaOH = V alícuota
V C
titulado* HCl
XA = 1 −
CA
CA0
.7
XA1 = 0
11
REACTOR 1
t[seg] Vol. Alícuota [ml] Vol. HCl [ml] CNaOH CA XA
1836 5 1,2 0,024 0,024 0,76
2000 5 1,3 0,026 0,026 0,74
2233 5 1,3 0,026 0,026 0,74
2398 5 1,5 0,03 0,03 0,7
REACTOR 2
t[seg] Vol. Alícuota [ml] Vol. HCl [ml] CNaOH CA XA
240 5 0,2 0,004 0,004 0,96

13.
.8
XA2 = 0
Tiempo de residencia
τ = V
Q +Q
A B
= 800 ml
1 +1
s
ml
s
ml
00 [seg]
τ = 4
Conversión teórica para el primer reactor
Determinando el valor de la constante de velocidad de la reacción a partir de los datos
registrados de la experiencia, mediante la ecuación de segundo orden:
XA
1−XA
= CA0 * k * t
k =
XA
C t (1−X )
A0* * A
k = 0.96
0.1 240 (1−0.96)
* *
[L/mol eg]
k = 1 * s
12
380 5 0,5 0,01 0,01 0,9
567 5 0,4 0,008 0,008 0,92
764 5 0,6 0,012 0,012 0,88
912 5 0,6 0,012 0,012 0,88
1094 5 0,9 0,018 0,018 0,82
1310 5 0,9 0,018 0,018 0,82
1500 5 1 0,02 0,02 0,8
1640 5 0,9 0,018 0,018 0,82

14. A partir del modelo matemático para reactor TAC, con una cinética de segundo orden
para la reacción tenemos:
X2
A,1 − ( τ kC
1 A0
2τ kC +1
1 A0
)XA,1 + 1 = 0
Resolviendo esta ecuación de segundo grado podremos conocer X​A,1​ del primer reactor
X2
A,1 − ( 400 1 0.1
* *
2 400 1 0.1+1
* * *
)XA,1 + 1 = 0
, 53
XA,1 = 0 8
Conversión teórica para el segundo reactor
Determinando el valor de la constante de velocidad de la reacción en el segundo reactor
partir de los datos registrados de la experiencia, mediante la ecuación de segundo orden:
X2
A,2 − ( τ kC
2 A0
2τ kC +1
2 A0
)XA,2 + τ kC
2 A0
τ kC +X
2 A0 A,1
= 0
X2
A,2 − ( 400 1 0.1
* *
2 400 1 0.1+1
* * *
)XA,2 + 400 1 0.1
* *
400 1 0.1+0,85
* *
= 0
.9506
XA,2 = 0
Tabla de Variación del Grado de Conversión Teórica y Experimental
13

15.
CONCLUSIÓN
En el reactor 1 se pudo diferenciar que la conversión cambia según al tiempo y que la
concentración, pero solo tiene hasta un punto de conversión final.
Se pudo diferenciar que en cada reactor tiene diferente grado de conversión que llegan a
ser constante.
La calibración de los flujos de entrada nos dio los siguientes resultados
● F​lujo de tanque A (AceEti) QA = 1 ml/seg
[ ]
● Flujo de tanque B (NaOH) QB = 1 ml/seg
[ ]
El grado de conversión experimental del primer reactor se obtuvo lo siguiente:
.7
XA1 = 0
El grado de conversión experimental del segundo reactor se obtuvo lo siguiente:
.8
XA2 = 0
El grado de conversión teórica del primer reactor con el modelo matemático se obtuvo lo
siguiente:
, 53
XA,1 = 0 8
El grado de conversión teórica del segundo reactor con el modelo matemático se obtuvo
lo siguiente:
14
Grado de conversión
experimental
Grado de conversión
teórica
%
Diferencia
Reactor
1
0.7 0.853 17,93%
Reactor
2
0.8 0.9506 15,84%

16. X .9506
A,2 = 0
En la comparación de los dos reactores se puede concluir que tanto el reactor 1 y el
reactor 2 el porcentaje de error se puede apreciar más en el reactor 1 la diferencia de
error entre la experimental y teórico es debido a la mala manipulación de la titulación,
también porque no hubo agitación continua se tuvo que agitar con la mano por un
momento.
RECOMENDACIONES
● Durante la experiencia se recomienda en cuidado de manejos de los materiales,
así mismo de los reactivos.
● Al introducir los activos a los tanques se debe tener cuidado porque son
soluciones ácidas, en la toma de la alícuota se debe tomar cada tres minutos para
evitar fallos en el experimento.
● En la regulación de los caudales se tevé graduar bien exacto así como en la
entrada y en la salida del reactor, porque si no él se regula bien puede haber
desnivel hasta puede rebalsar la solución.
BIBLIOGRAFÍA
● H. Scott Fogler, Elementos de ingeniería de las reacciones químicas, Cuarta
Edición, 2008, Pearson Educación de México, S.A. de c.v.
● Octave Levenspiel, Ingeniería de las reacciones químicas, Tercera Edición, 2004,
Editorial LIMUSA SA DE C.V.
● https://es.scribd.com/document/283161281/Reactores-en-Serie-y-Paralelo
15
Grado de conversión
experimental
Grado de conversión
teórica
%
Diferencia
Reactor
1
0.7 0.853 17,93%
Reactor
2
0.8 0.9506 15,84%

17. ● DENBINGH, K. G. (1990) “Introducción a la Teoría de los Reactores Químicos”,
2a. ed. Limusa S.A, México.
ANEXOS
REACTOR 1 REACTOR 2
16