LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA II..

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En todos los estudios cinéticos realizados con de resinas de intercambio iónico como catalizadores, el tipo de resina que se ha empleado es un gel acido de intercambio iónico a base de benceno y estireno-divinilbenceno (DVB). La investigación de la catálisis por resinas de intercambio iónico es sin duda interesante, no desde un punto de vista puramente físico-químico, sino también en términos de las ventajas de estos tipos de catalizadores sobre los convencionales. Las resinas de intercambio de iones aumentan el rendimiento del producto, y pueden mantener su actividad por mucho tiempo, y no contaminan. Las resinas de intercambio iónico se pueden separan del medio de reacción con facilidad y se regeneran fácilmente para su reutilización.

La esterificación de ácido acético con etanol se ha estudiado ampliamente, principalmente debido a su uso industrial. La reacción global entre el ácido acético y alcohol etílico sobre una resina catalíticamente activa se muestra a continuación [3]:[pic 2][pic 3]

La reacción mostrada en la figura_1 corresponde a una reacción de esterificación en donde se sintetiza un éster a partir de un ácido carboxílico y un alcohol. Ya esta reacción se encuentra limitada por el equilibrio, un método común de operar reacciones limitadas por el equilibrio es el uso de un exceso de un reactante con el fin de incrementar la conversión del reactivo limitante.

En este trabajo, se realizara un seguimiento a la reacción nombrada anteriormente a escala pilo teniendo en cuenta las diferentes consideraciones como son temperatura y concentración de reactivos que conlleven a un excelente rendimiento de producto.

- Análisis termodinámico

El análisis termodinámico se realizó con ayuda del software Aspen PLUS®. Los valores fueron obtenidos a 585 mmHg, presión atmosférica de Manizales.

- Energía libre de Gibbs

Se calculó el valor de la energía libre de Gibbs de que tan factible es que se dé la reacción, que se determinó a partir de la siguiente ecuación:

[pic 4]

Donde , hace referencia al coeficiente estequiometrico de la sustancia i en la reacción j, conservando la convención de signos (negativo para reactivos y positivo para los productos).[pic 5]

[pic 6]

[pic 7]

De acuerdo con los resultados obtenidos se puede determinar que la reacción es factible, y tendrá mayor factibilidad en un intervalo de temperatura entre 30 y 70 °C aproximadamente.

- Calor de reacción estándar

[pic 8][pic 9]

A partir de la reacción que se produce dentro del proceso de esterificación, se calcula el calor o entalpía estándar de reacción de acuerdo con las siguiente ecuación.

[pic 10]

Donde , hace referencia al coeficiente estequiometrico de la sustancia i en la reacción j, conservando la convención de signos (negativo para reactivos y positivo para los productos). De acuerdo con los resultados obtenidos se determina que la reacción es exotérmica, es necesario durante el desarrollo del proceso tener control sobre la temperatura adecuada. [pic 11]

- Catalizadores.

La reacción de esterificación es promovida con el uso de catalizadores ácidos homogéneos (oleum, H2SO4, HCl, ácido p-Toluen-sulfónico) o heterogéneos (resinas de intercambio, zeolitas, óxidos metálicos, heteropoliácidos), los cuales actúan como donadores de protones.

Una alternativa para promover la reacción es hacer uso de las propiedades de las resinas ácidas. Además de su actividad catalítica, exhiben una adsorción selectiva, permitiendo una relación de reactivos a sitios activos, muy diferente de la obtenida con catalizadores homogéneos convencionales. Cuando la matriz polimérica es particularmente selectiva, y como en el caso de la esterificación, tiende a remover uno de los productos de reacción de la matriz sólida (el éster), la velocidad de la reacción inversa disminuye y se evitan reacciones secundarias, por lo que la conversión y la selectividad se ven mejoradas.[4]

El uso de catalizador sólido heterogéneo puede eliminar muchas de las desventajas involucradas con el uso de catalizadores homogéneos, los catalizadores heterogéneos permiten una fácil separación del catalizador del medio de reacción por decantación o filtración y reducen o eliminan los problemas de corrosión.

Algunos de los proveedores de este tipo de resina son Dow Water & Process Solutions, Disin (S.A) en la ciudad de Bogotá, y Equipos y Laboratorio, en la ciudad de Medellín.

En este estudio se utilizó un catalizador solido heterogéneo que fue una resina zeolítica. Para 100 g de ácido acético se requieren cargar mínimo 5,4 g de catalizador para obtener una conversión teórica del 75%.

- Materiales y reactivos

- Diagrama de proceso

- Metodología

- Resultados y análisis de resultados

- Perfil de concentración y conversión de reacción.

Para obtener los perfiles de concentración se debe tener todo primero que todo en las mismas unidades; la base usada para la titulación de ácido acético estaba a una concentración de 1.7 N, este valor debe pasarse a molaridad y se hace de la siguiente manera:

[pic 12]

Recordar que un equivalente gramo para el caso de las bases es la cantidad de sustancia que produce un mol de OH, entonces 1 mol de NaOH tiene un peso molecular de 40 g, por lo que cuando este se disocia produce un mol de OH y un ion Na así:

[pic 13]

Lo anterior quiere decir que 40 g es igual a 1 eq-g; entonces al ser la solución 1.7 N quiere decir que hay 17 eq-g los cuales se traducen a:

[pic 14]

[pic 15]

[pic 16]

Puede comprobarse que para el caso del NaOH al generar solo un mol de OH al disociarse esto hace que normalidad y molaridad tengan el mismo valor, sin embargo para los casos de otras bases como por ejemplo el hidróxido de calcio () al disociarse produce 2 moles de OH por lo que