1221O5 Prácticas Experimentales de Ingeniería Química para ...
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Juan M. Garrido y Jose Luis Campos
Departamento de Ingeniería Química
Universidad de Santiago de Compostela
Prácticas Experimentales de Ingeniería Química para
tiempos de crisis: algunos ejemplos aplicados en la
USC
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1.- Contexto
2.- Grado en Ingeniería Química de la USC
3.- Prácticas experimentales en el Grado
4.- Cinética heterogénea S-L.
5.- Conclusiones
Indice
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Contexto
60%
80%
100%
120%
140%
160%
180%
200%
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Universidad Escuela, ETSE Departamento
Año
Evolución del presupuesto
(base, año 2008=100)
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Física (9)
Expresión Gráfica
(6)
3.1 1.2. 1.1.
Trabajo Fin de Grado (24)
Matemáticas (9)
Informática (9)
Química Inorgánica
(6)
2.1.
Química Analítica
(6)
2.2 3.2
Química Fundamental
(6)
4.1 4.2
Grado en Ingeniería Química de la USC: Distribución Temporal
Inglés Técnico
(4,5)
Básicas Rama Industrial Específicas
Estadística (6)
Ecuaciones Diferenciales
(6)
Termodinámica Aplicada a la
Ingeniería (6)
Transporte de
Fluidos (6)
Ciencia de Materiales
(4,5)
Organización y economía de
empresas (6)
Transmisión de Calor
(6)
Química Orgánica
(6)
Lab. Fluidos Y Calor
(6)
Aula Profesional
(6)
Electrotecnia (6)
Ingeniería Ambiental
(4,5)
Sistemas de producción
Industrial (4,5)
Ingeniería Bioquímica
(4,5)
Transferencia de Materia
(6)
Ingeniería de la Reacción Química
(4,5)
Control de Procesos
(6)
Fundamentos de Maquinas y
Resist. Mat (6)
Ingeniería de Procesos
(4,5)
Reactores Químicos
(6)
Optativa II (4,5)
Optativa IV (4,5)
Optativa III (4,5)
Optativa I (4,5)
Laboratorio Procesos Químicos
(6)
Proyectos y diseño de
instalaciones (6)
Simulación y optimización
(4,5)
Automatica Industrial
(4,5)
Fundamentos de Procesos
Químicos (6)
Análisis de Procesos Químicos
(4,5)
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Física (9)
Expresión Gráfica
(6)
3.1 1.2. 1.1.
Trabajo Fin de Grado (24)
Matemáticas (9)
Informática (9)
Química Inorgánica
(6)
2.1.
Química Analítica
(6)
2.2 3.2
Química Fundamental
(6)
4.1 4.2
Grado en Ingeniería Química de la USC: Distribución Temporal
Inglés Técnico
(4,5)
Básicas Rama Industrial Específicas
Estadística (6)
Ecuaciones Diferenciales
(6)
Termodinámica Aplicada a la
Ingeniería (6)
Transporte de
Fluidos (6)
Ciencia de Materiales
(4,5)
Organización y economía de
empresas (6)
Transmisión de Calor
(6)
Química Orgánica
(6)
Aula Profesional
(6)
Electrotecnia (6)
Ingeniería Ambiental
(4,5)
Sistemas de producción
Industrial (4,5)
Transferencia de Materia
(6)
Ingeniería Bioquímica
(4,5)
Ingeniería de la Reacción Química
(4,5)
Control de Procesos
(6)
Fundamentos de Maquinas y
Resist. Mat (6)
Ingeniería de Procesos
(4,5)
Reactores Químicos
(6)
Optativa III (4,5)
Optativa II (4,5)
Optativa I (4,5)
Laboratorio Procesos Químicos
(6)
Proyectos y diseño de
instalaciones (6)
Simulación y optimización
(4,5)
Automatica Industrial
(4,5)
Fundamentos de Procesos
Químicos (6)
Análisis de Procesos Químicos
(4,5)
Lab. Fluidos Y Calor
(6)
Optativa IV (4,5)
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• Fundamentos de Procesos Químicos (0,9 de 6 ECTS):
El alumno realiza 2 prácticas:
• Determinación de viscosidad
• Determinación de conductividad térmica
• Ecuación de Hagen-Poiseuille
• Experimento de Osborn-Reynolds
• Determinación de temperatura húmeda y temperatura seca
• Destilación diferencial
• Convección natural y forzada
Grado en Ingeniería Química
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• Fundamentos de Procesos Químicos (0,9 de 6 ECTS):
• Determinación de viscosidad
Grado en Ingeniería Química
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• Fundamentos de Procesos Químicos (0,9 de 6 ECTS):
• Coeficiente de convección natural y forzada
Grado en Ingeniería Química
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Laboratorio de transporte de fluidos y transmisión de calor
(6 créditos):
• Calibrado de un estrechamiento (líquidos y gases)
• Demostración teorema de Bernouilli
• Tiempo de descarga de un depósito
• Planta de fluidos
• Flujo de fluidos en lechos porosos
• Lecho fluidizado
• Planta de ensayo de válvulas
• Estudio de bombas centrífugas
• Aislamiento térmico
• Determinación de propiedades de transporte
• Analogía eléctrica conducción de calor
• Transferencia de calor en dos fases (líquido-vapor)
• Estudio de intercambiadores de calor
Grado en Ingeniería Química
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• Estudio de bomba centrífuga
Grado en Ingeniería Química
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• Intercambiadores de calor: doble tubo
Grado en Ingeniería Química
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• Laboratorio de Procesos Químicos (primer curso 2012-13):
El alumno realiza prácticas:
Cinética y reactores químicos
Operaciones básicas
Simulación y Control (ordenador)
Grado en Ingeniería Química
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• Laboratorio de Procesos Químicos:
Operaciones unitarias (y complementarias):
Rectificación discontinua
Evaporador de película ascendente
Evaporador de doble efecto
Determinación de curvas de solubilidad en sistemas ternarios
Extracción continua líquido-líquido
Extracción sólido-líquido
Absorción en columna de relleno
Absorción en tanque agitado
Operación en columnas de intercambio iónico
Determinación de curvas de potencia de agitación
Torre de humidificación
Planta de ósmosis inversa
Grado en Ingeniería Química
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Grado en Ingeniería Química
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Grado en Ingeniería Química
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• Laboratorio de Procesos Químicos:
Cinética y reactores químicos:
Cinética reacciones homogéneas
Cinética heterogénea S-L
Catálisis heterogénea
Simulación hidráulica reacciones químicas
Reactor adiabático
Reactor continuo tanque agitado
Reactor flujo pistón
Grado en Ingeniería Química
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Determinación de las constantes cinéticas de una reacción química
heterogénea de una solución diluida de ácido acético y grageas antiácido.
Medida de la conversión:
pH
Seguimiento radio de la gragea (r)
Determinación de las constantes cinéticas empleando agitación moderada y
agitación fuerte de la disolución.
Sanders, S.A. and Sommerfeld J.T.; "A Laboratory experiment on
combined mass transfer and kinetics", Chem. Eng. Education, Spring, 86-91
(1989).
Cinética heterogénea sólido-líquido.
Cinética heterogénea S-L
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Cinética heterogénea S-L
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Cinética heterogénea S-L
Materiales:
Vaso de precipitados (1 L)
Placa agitadora magnética y agitador magnético
pH-metro con bajo tiempo de respuesta
Cronómetro
Termómetro
Pie de Rey
Agua destilada
Vinagre comercial 1:20
Grageas antiácido (principio activo: CaCO3 o NaAl(OH)2CO3)
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Cinética heterogénea S-L
Estequiometría de la Reacción:
2 H3 O+ + CO3
2- 3 H2O + CO2
2A + B 3C + D
Balance de componente (A):
1/V·dNA/dt=-k a CAn
dCA/dt=-k a CAn
pH = -log[A]
Se medía la evolución del tamaño de la gragea y se relaciona CA con r
CA=CA0-(2 m xB/MBV)·(R3-r3)
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Cinética heterogénea S-L
rA= ΔCA/Δt = -k a CAn
Método
diferencial Ln(-ΔCA/Δt) = Ln(k a)+n·Ln(CA)
t (s) pH [H+] LnH+ ln rH+
0 3,16 6,92E-04
30 3,22 6,03E-04
60 3,23 5,89E-04
90 3,38 4,17E-04 -7,78 -12,07
120 3,44 3,63E-04 -7,92 -13,23
150 3,49 3,24E-04 -8,04 -13,54
180 3,57 2,69E-04 -8,22 -13,22
210 3,62 2,40E-04 -8,34 -13,84
240 3,66 2,19E-04 -8,43 -14,17
270 3,71 1,95E-04 -8,54 -14,05
300 3,76 1,74E-04 -8,66 -14,16
360 3,85 1,41E-04 -8,86 -14,43
420 3,92 1,20E-04 -9,03 -14,86
480 4 1,00E-04 -9,21 -14,90
540 4,06 8,71E-05 -9,35 -15,35
600 4,11 7,76E-05 -9,46 -15,66
660 4,16 6,92E-05 -9,58 -15,78
720 4,21 6,17E-05 -9,69 -15,89
780 4,25 5,62E-05 -9,79 -16,22
840 4,3 5,01E-05 -9,90 -16,10
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Cinética heterogénea S-L, método diferencial
rA= ΔCA/Δt = -k a CAn
Ln(-ΔCA/Δt) = Ln(k a)+n·Ln(CA)
Orden de reacción, n= 1,5
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Cinética heterogénea S-L, método integral
Orden de reacción, n= 1,5
dCA/dt=-k a CAn CA-CAo=-k·a·t/2
-0,5 -0,5
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Cinética heterogénea S-L
Problemas:
Problemas con la medida del radio de la gragea
La gragea antiácido se disolvía (excipiente)
ΔNA ≠ 2ΔNB , (3-10 veces)
Error en el artículo original de medida de cinética de la reacción
Sanders, S.A. and Sommerfeld J.T.; "A Laboratory experiment on combined mass
transfer and kinetics", Chem. Eng. Education, Spring, 86-91 (1989).
“A differential analysis of the experimental data of Table 2 (pH versus
time) was next performed. For this purpose, the pH data of Table 2 were
converted to CA, numerically differentiated with respect to time, and
the resulting rate normalized with respect to the instantaneous surface
area of the tablets.”
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Cinética heterogénea S-L
Cambios:
Se reemplazan las grageas por 3 conchas de
bivalvos con tamaño diferente
(Almeja reloj o similar)
[1] 2 H3 O+ + CO3
2- 3 H2O + CO2
[2] 2AcH + CO32- H2O + Ac- + CO2
Reacciones:
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Cinética heterogénea
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Cinética heterogénea S-L
[1] Reactantes + CO32- Productos
Reactantes: H+ y AcH A= [H30+] + [AcH]
Medida del consumo de reactantes: pH-metro
[H3O+]·[Ac-]
[AcH] Keq=
[Ac-]0 = [H+]0
Keq= 10-4,76
Además: AcH + H2O Ac- + H3 O+
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Cinética heterogénea S-L
rA= ΔCA/Δt = -k a CAn
Método
diferencial Ln(-ΔCA/Δt) = Ln(k a)+n·Ln(CA)
tiempo (s) pH [H+] AcH/Ac- [AcH] [AcH]+[H+] rA ln [A] ln[rA]
0 3,16 6,9E-04 39,5 2,7E-02 2,8E-02 -3,57 30 3,22 6,03E-04 34,43 2,73E-02 2,79E-02 6,30E-06 -3,58 -11,98
60 3,23 5,89E-04 33,65 2,72E-02 2,78E-02 1,05E-06 -3,58 -13,76
90 3,38 4,17E-04 23,82 2,69E-02 2,73E-02 1,64E-05 -3,60 -11,02
120 3,44 3,6E-04 20,7 2,7E-02 2,7E-02 7,1E-06 -3,61 -11,85 150 3,49 3,24E-04 18,49 2,66E-02 2,69E-02 6,29E-06 -3,61 -11,98
180 3,57 2,69E-04 15,38 2,63E-02 2,66E-02 1,09E-05 -3,63 -11,42
210 3,62 2,40E-04 13,71 2,61E-02 2,64E-02 7,47E-06 -3,64 -11,81
240 3,66 2,19E-04 12,50 2,60E-02 2,62E-02 6,38E-06 -3,64 -11,96
270 3,71 1,95E-04 11,14 2,57E-02 2,59E-02 8,54E-06 -3,65 -11,67
300 3,76 1,74E-04 9,93 2,55E-02 2,57E-02 9,24E-06 -3,66 -11,59
360 3,85 1,41E-04 8,07 2,50E-02 2,51E-02 9,30E-06 -3,69 -11,59
420 3,92 1,20E-04 6,87 2,45E-02 2,46E-02 8,22E-06 -3,71 -11,71
480 4 1,00E-04 5,71 2,39E-02 2,40E-02 1,06E-05 -3,73 -11,46
540 4,06 8,71E-05 4,98 2,34E-02 2,34E-02 8,80E-06 -3,75 -11,64
600 4,11 7,76E-05 4,44 2,29E-02 2,30E-02 7,94E-06 -3,77 -11,74
660 4,16 6,92E-05 3,95 2,24E-02 2,25E-02 8,51E-06 -3,80 -11,67
720 4,21 6,17E-05 3,52 2,18E-02 2,19E-02 9,09E-06 -3,82 -11,61
780 4,25 5,62E-05 3,21 2,14E-02 2,14E-02 7,69E-06 -3,84 -11,78
840 4,3 5,01E-05 2,86 2,08E-02 2,08E-02 1,01E-05 -3,87 -11,50
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Cinética heterogénea S-L, método diferencial
rA= ΔCA/Δt = -k a CAn
Ln(-ΔCA/Δt) = Ln(k a)+n·Ln(CA)
Se aproxima a orden de reacción, n= 1
Concha utilizada
Grande Mediana Pequeña
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Cinética heterogénea S-L, método integral
Orden de reacción, n= 1
dCA/dt=-k a CAn LnCA= -k·a·t + LnCAO
y = -4,15E-04x - 3,53E+00
R2 = 9,99E-01
y = -8,70E-05x - 3,53E+00
R2 = 1,00E+00
y = -2,05E-04x - 3,86E+00
R2 = 9,99E-01
-6,0000
-5,0000
-4,0000
-3,0000
-2,0000
-1,0000
0,0000
0 1000 2000 3000 4000 5000
Tiempo (s)
Ln[A
]
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Cinética heterogénea S-L, resultados
Pequeña Mediana Grande
k·a -8,70E-05 -2,05E-04 -4,15E-04 s-1
Co 2,93E-02 2,11E-02 2,93E-02 mol/L
area 23,13 34,8 61,1 cm2
k -3,76E-06 -5,89E-06 -6,79E-06 1/s/cm2
Co 2,93E-02 2,11E-02 2,93E-02 ajuste
Co 2,93E-02 2,13E-02 2,80E-02 experimental
pequeña mediana grande
mol A 2,48E-03 3,27E-03 6,33E-03 mol
2·mol B 3,4E-03 3,9E-03 4,39E-03 mol
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Cinética heterogénea S-L, Conclusiones
Orden de reacción análogo a otras publicaciones*
Inversión pequeña, 700 €
Coste de mantenimiento por curso bajísimo (1-20 €)
Uso de conchas (Almeja Reloj o similar)…
Uso probetas de marmol…
Tiempos de crisis: Necesario compaginar con prácticas de
bajo con aquellas de mayor coste
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Agradecimientos
Al personal del Departamento de I.Q. presente, pasado y futuro.
A nuestros estudiantes…
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Agradecimientos
Gracias por su atención