Guia de Laboratorios Opus II
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MANUAL DEL
LABORATORIO DE
OPERACIONES
UNITARIAS II
FACULTAD DE INGENIERIA. PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA.
UNIVERSIDAD DE CARTAGENA.
MANUAL EN PROCESO DE REVISION / EDICION !!!!
Ing. Adriana P. Herrera Barros, PhDIng. Rodrigo R. Ricardo Paredes, MSc
2015
1
TABLA DE CONTENIDO
Normas de seguridad en el laboratorio
1. Columna de Destilación
2. Torre de Enfriamiento
3. Manejo de Sólidos
4. Evaporador de Doble Efecto
5. Secador Convencional
6. Bomba de Calor
7. Torre de Paredes Húmedas
8. Secado por Atomización
9. Torre de absorción de gases
10. Intercambio Iónico
11. Humidificación adiabática
2
NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO
INTRODUCCIÓN.
Dentro de los parámetros del laboratorio se
encuentran normas para todas las personas que
son responsables de utilizarlo, ya que a la hora de
realizar prácticas es necesario el uso de sustancias
químicas que pueden ser de natura leza acida,
corrosiva, toxicas, inflamables etc., las cuales de una
u otra manera pueden llegar a ser nocivas y
perjudiciales para la salud si se utilizan de manera
incorrecta. Un laboratorio como el de química
orgánica puede llegar a ser muy peligroso si no se tienen en cuenta las normas de
seguridad a seguir, las cuales pueden verse como el conjunto de reglas esenciales
que se deben tener en cuenta al momento de desarrollar un experimento y se pueden
clasificar en dos:
1) Precauciones que siempre hay que seguir
2) Acciones que nunca se deben realizar
OBJETIVO GENERAL.
Informar acerca de los riesgos que se puedan presentar en un laboratorio y de las
normas de trabajo que se deben seguir para evitar situaciones de peligro y proteger al
personal docente, administrativo y a los estudiantes.
CONDICIONES DE SEGURIDAD Y NORMAS A SEGUIR.
Reglas internas del Laboratorio:
Al momento de entrar al laboratorio…
1. Revise la guía de trabajo y la metodología experimental antes de iniciar la sesión.
2. Llegue puntualmente al laboratorio. Es sumamente importante aprovechar el tiempo
disponible para el trabajo en el laboratorio. Si llega tarde, repórtese inmediatamente
con el Profesor responsable.
3. Use zapatos cerrados y con suela antideslizante.
4. Use pantalón largo. Retírese todos los accesorios personales que puedan
comprender riesgos de accidentes mecánicos, químicos o por fuego, como son anillos,
pulseras, y collares. Evite el uso de lentes de contacto; use las gafas de seguridad.
3
5. Use la bata cerrada durante toda la sesión. Los guantes y el respirador deben
usarse para la manipulación de sustancias químicas.
6. Tome notas en su libreta de laboratorio del procedimiento a seguir y la metodología
desarrollada. Esta libreta de laboratorio debe contener la información sobre los
reactivos y los cálculos para preparar las diferentes soluciones que requiera el
experimento.
7. Recoja con prontitud el material y los equipos para el trabajo correspondiente. Se
debe revisar el estado de la mesa de trabajo, del material y de los equipos recibidos.
Reporte cualquier falla o irregularidad al Técnico responsable del laboratorio. El
material se debe lavar y secar antes de ser usado. Consulte con el Profesor y con el
Técnico responsable y revise la existencia de los reactivos a utilizar.
Durante el desarrollo del experimento…
1. Siga las medidas de seguridad necesarias con los equipos, materiales y reactivos a
usar para prevenir accidentes.
2. Pese sólo las cantidades de reactivos requeridos para el trabajo experimental y
colóquelas en material de vidrio limpio y seco. Marque todos los recipientes donde
coloque reactivos, productos y residuos.
3. Mantenga en la mesa de trabajo sólo el material requerido para el desarrollo del
experimento. Los frascos de reactivos deben permanecer en las campanas de
extracción o áreas designadas por el personal administrativo. Los objetos personales,
tales como maletines, bolsos, libros, etc., deben guardarse en los casilleros ubicados
fuera del área de trabajo.
4. No ingiera alimentos ni bebidas en el interior del laboratorio.
5. Evite las distracciones, visitas de personal no autorizado, y las interrupciones
innecesarias. Así puede evitar accidentes.
7. Avise al Profesor de la clase cuando le sea necesario salir del laboratorio por algún
motivo personal. De igual manera repórtese al reingresar.
Al finalizar el trabajo…. 1. Disponga de los residuos y de los reactivos no utilizados de la manera indicada por
las normas. Consulte la Lista de Seguridad del Laboratorio. Los reactivos no usados
no se devuelven a los frascos. Los frascos de reactivos puros deben regresarse al
almacén.
2. Lave el material y devuélvalo limpio y seco. Retire las etiquetas de los materiales
que contenían reactivos, productos o residuos. Realice la entrega en orden y
esperando su turno.
3. Deje limpio y seco el lugar de trabajo.
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4. Antes de salir del laboratorio retírese la bata y demás equipo de seguridad y
guárdelo en una bolsa de plástico exclusiva para este uso.
Tenga siempre presente que….
Es importante familiarizarse con los procedimientos de
seguridad, y conocer dónde están los extintores, duchas,
salidas de emergencia, etc.
Llevar siempre las gafas protectoras para evitar la salpicadura
de cualquier sustancia química, ya que podrían ocurrir severos
daños a los ojos.
Antes de utilizar un equipo, compruebe que funcione
correctamente. También revise que los recipientes de vidrio no
tengan ninguna fisura antes de agregarle un reactivo químico.
Manejar todos los productos químicos con gran cuidado. Estos
pueden ser tóxicos, corrosivos, inflamables, explosivos, con
posibles propiedades cancerígenas, etc.
El principal peligro en el laboratorio es el fuego. Nunca se debe
encender un mechero antes de comprobar que no hay ningún
líquido inflamable en las proximidades.
En caso de contacto con alguna sustancia química lávese
inmediatamente con abundante agua y avísele al Profesor
encargado del área.
Mantenga siempre su área de trabajo limpia y despejada de
material innecesario.
Recoja inmediatamente cualquier líquido o sólido que se derrame. Para ácidos y
bases conviene neutralizar previamente.
Consultar cualquier duda con el Profesor encargado del área.
Lavarse las manos antes de abandonar el laboratorio.
EQUIPOS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO:
DUCHAS DE SEGURIDAD: Constituyen el sistema de emergencia
más habitual para casos donde pueda ocurrir el riesgo de quemaduras
químicas e incluso si se prende fuego en la ropa. La ducha deberá
proporcionar un caudal de agua suficiente para mojar a la persona
completa e inmediatamente.
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FUENTES LAVAOJOS: Es un sistema que permite la
descontaminación rápida y eficaz de los ojos y que está constituido
básicamente por dos rociadores o boquillas capaces de proporcionar
un chorro de agua potable para lavar los ojos o la cara, una pileta
provista del correspondiente desagüe, de un sistema de fijación al
suelo o a la pared y de una palanca para el encendido la cual puede ser de pie
(pedal) o de codo.
MANTAS IGNÍFUGAS: Las mantas permiten una acción eficaz en el
caso de fuegos pequeños y sobre todo cuando se prende fuego en la
ropa, siendo entonces una alternativa a las duchas de seguridad. La
utilización de la manta puede en ciertos casos evitar el
desplazamiento de la persona en llamas, lo que ayuda a limitar el
efecto y desarrollo de éstas.
EXTINTORES: Son equipos que contienen un agente o sustancia
extintora que puede ser proyectada y dirigida sobre el fuego por
acción de una presión interna. Se clasifican de acuerdo al tipo
particular de fuego y se les etiqueta con la misma letra y símbolo que
al tipo de fuego:
TIPO A - Sustancias combustibles: madera, telas, papel, caucho y plásticos.
TIPO B - Líquidos inflamables: aceite, grasas y diluyentes de pinturas.
TIPO C - Equipos eléctricos conectados a la corriente.
TIPO D - Metales combustibles (magnesio, titanio, sodio, litio, potasio).
CODIGOS DE SEGURIDAD.
El diamante de identificación del National Fire Protection Association (NFPA) de los
Estados Unidos es el sistema de identificación más reconocido a nivel mundial para la
identificación de sustancias químicas. Este diamante consta de cuatro cuadrantes
identificados con números y colores que facilitan el rápido reconocimiento del grado de
riesgo asociado al material. La siguiente figura ilustra este sistema:
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Código NFPA para identificación de riesgos por sustancias químicas.
En adición, para facilitar al usuario la identificación del grado de riesgo asociado a las
sustancias químicas, se ha establecido como obligatorio incluir en las etiquetas de los
reactivos químicos pictogramas que alerten de manera rápida el grado de
peligrosidad del material. Estos pictogramas son etiquetas dibujadas en color negro
sobre un fondo anaranjado. La siguiente figura ilustra este sistema:
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1. COLUMNA DE DESTILACION
OBJETIVO GENERAL Estudiar el funcionamiento básico de una torre de destilación y el
comportamiento de equilibrio de una mezcla binaria etanol/agua.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar los componentes de la columna de destilación.
Determinar el número mínimo de etapas teóricas necesarias para la
destilación del sistema etanol – agua.
Construir la curva de equilibrio de la mezcla binaria etanol-agua.
Calcular los calores latente y sensible de la solución etanol-agua.
Determinar las fracciones molares de etanol en las distintas etapas del proceso.
Trazar la curva concentración de destilado en función del tiempo. Observar mediante gráficos la composición del destilado en función del
tiempo.
INTRODUCCIÓN
La destilación es una operación unitaria muy importante en la ingeniería química y muy aplicada en la mayoría de los procesos industriales, la cual consiste en separar dos o más componentes de una mezcla homogénea, a partir del punto de ebullición, que a su vez tiene en cuenta la diferencia en la volatilidad relativa de los componentes y la presión de saturación de las sustancias. En las industrias se pueden encontrar diferentes tipos de torres de destilación,
dependiendo las condiciones que requiera el proceso y del tipo de mezcla que
se pretenda separar, dentro de las que podemos destacar las torres de
destilación atmosféricas, torres al vació y torres de destilación reactiva que
involucra dos procesos en el mismo equipo, la reacción y separación.
MARCO TEÓRICO
La destilación es la separación de los constituyentes de una mezcla liquida por
medio de la vaporización parcial de la mezcla y la recuperación por separado
del vapor y del residuo. El equipo comúnmente utilizado y que permite realizar
la destilación o separación se le conoce como columna o torre de destilación, y
es un equipo de transferencia de masa, el cual consiste de una torre dividida
8
con múltiples secciones, a las cuales se les denomina “platos”, que en su
interior están constituidos por dispositivos diversos que actúan como
distribuidores de líquido y gas, con el objetivo que exista un íntimo contacto
entre las fases. La torre opera con calentamiento en la parte inferior a lo que le
denominamos “fondo” y en la parte superior temperaturas de enfriamiento a la
que se le denomina “cabeza o tope; de lo que se puede esperar que el tope de
la torre esté más fría que el fondo. Dentro de las columnas de destilación el
líquido desciende bajo la acción de la gravedad, mientras que el vapor
asciende debido a la fuerza de una ligera diferencia de presiones de plato en
plato. La presión más elevada se produce por la ebullición en el rehervidor
inferior.
Existen dos métodos para la destilación: El primer método con que se puede
llevar a cabo la destilación se basa en la producción de vapor mediante la
ebullición de la mezcla líquida que se desea separar y la condensación de los
vapores sin permitir que el líquido retorne a la columna del equipo de
destilación (sin reflujo); El segundo método se basa en el retorno de una parte
del condensado a la columna, en condiciones tales que el líquido que retorna
se pone en contacto íntimo con los vapores que ascienden hacia el
condensador (con reflujo). Está operación unitaria presenta desventaja cuando
la mezcla forma azeótropos, es decir, cuando los puntos de ebullición de los
componentes de la mezcla son muy similares y se comportan como si fuesen
uno solo, por lo que resulta imposible seguir separando las sustancias,
entonces hay que recurrir a técnicas, como reducir la presión del sistema o
agregar un solvente para rodar el equilibrio y poder seguir separando, o en su
defecto utilizar otras operaciones como la extracción liquido-liquido.
Algunos tipos de destilación son
Destilación simple:
Puede llevarse a cabo de forma continua o discontinua.
La mezcla se hace hervir y el vapor generado se separa del líquido,
condensándolo tan rápidamente como se genera.
Se describe mejor como una operación de transmisión de calor
exactamente igual que el evaporador.
Destilación por carga:
No se alcanza el estado estacionario.
Aumento de la temperatura en el calderin a medida que avanza el
proceso
9
Destilación por arrastre de vapor:
Caso especial de destilación de mezclas heterogéneas y se aplica a
compuestos insolubles en agua y de puntos de ebullición altos.
Se emplea vapor vivo para provoca el arrastre de la sustancia volátil que se
desea concentrar. Esta sustancia debe ser insoluble en el agua
Usado con bastante frecuencia para separar un componente de alto punto
de ebullición de cantidades pequeñas de impurezas no volátiles.
Se emplea algunas veces en la industria alimenticia para eliminar
contaminantes y sabores de grasas y aceites comestibles.
Destilación súbita o flash:
Evaporación rápida en una sola etapa
Vaporización de una fracción definida del liquido
Condensación del vapor
Se usa para componentes que tienen temperaturas de ebullición muy
diferentes
Destilación fraccionada:
Destilación más utilizada a nivel industrial y se lleva a cabo en una
columna.
Serie de etapas de vaporización instantánea, donde los productos
gaseosos y líquidos de cada etapa fluyen a contracorriente.
Contacto del vapor y el líquido, produciéndose una transferencia de masa
Destilación al vacío:
Se emplea en la separación de líquidos con un punto de ebullición superior
a 150ºC.
Se utiliza cuando el líquido tiene un punto de ebullición excesivamente alto
o descompone a alta temperatura.
Destilación extractiva:
Uso de disolvente que altera las volatilidades de los componentes.
Se separa por la cabeza de la columna un componente y como residuo la
mezcla del otro componente y el disolvente añadido.
Destilación azeotrópica:
10
Agente arrastrador que forma un azeótropo con uno de los componentes
originales.
El azeótropo formado se rompe por diversos procedimientos.
MATERIALES Y EQUIPOS
El equipo está conformado por las
siguientes partes:
1. Hervidor 2. Torre de destilación 3. Condensador 1 4. Condensador 2 5. Tablero de control
Materiales Adicionales:
Recipientes recolectores de muestras. Balde de 12 L. Probeta de 50 mL. Densímetro. Agua destilada. Embudo
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Preparar 5 litros de solución agua – etanol al 25% V/V.
2. Asegurarse que antes de alimentar la solución al hervidor las válvulas de drenaje y muestreo del
equipo se encuentren cerradas.
3. Alimentar la solución preparada de agua – etanol, en el tanque del hervidor ubicado en la parte
inferior de la torre de destilación.
4. Encender el equipo y fijar la temperatura de calentamiento.
5. Es importante controlar la intensidad de calentamiento. Un calentamiento excesivo ocasionará una
operación incorrecta en la columna disminuyendo su eficiencia.
6. Esperar hasta que el etanol alcance tu temperatura de ebullición.
7. Abrir las válvulas de agua de los condensadores una vez se observen las primeras trazas de vapor
dentro de la columna.
8. Ajustar el rotámetro en un flujo intermedio.
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9. Una vez el equipo se encuentre estable se debo tomar muestras en cada plato y en el condensado,
en tiempos establecidos de 15 minutos para posterior análisis. Repetir este procedimiento en 5
oportunidades.
10. Despojar el resto de la solución que queda en el recipiente del rehervidor determinando su
concentración.
11. Apagar el equipo.
RECOLECCIÓN DE DATOS
Muestra )
Plato 1
Plato 2
Plato 3
Plato 4
Plato 5
Destilado
Hervidor
Esta tabla se repite por el número de tiempos determinados en las
recolecciones de las muestras.
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PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO
CÁLCULOS
𝒚𝑨 =∝ 𝒙𝑨
𝟏+ ∝ −𝟏 𝒙𝑨
Construcción de la curva
de equilibrio etanol/agua
Cálculo del número de platos teóricos por medio del método de Mc Cabe Thiele
Calcular la fracción molar del etanol en las distintas etapas del proceso y en los diferentes intervalos de tiempo.
𝑵𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 =𝑽/𝑽% 𝒙 𝑽𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂 𝒙 𝝆𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍
𝑴𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍
𝑵𝒂𝒈𝒖𝒂 = 𝟏 − 𝑽/𝑽% 𝒙 𝑽𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂 𝒙 𝝆𝒂𝒈𝒖𝒂
𝑴𝒂𝒈𝒖𝒂
𝒙𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 =𝑵𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍
𝑵𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 + 𝑵𝒂𝒈𝒖𝒂
Cálculo de la
Volatilidad Relativa
∝=𝒑𝑨/𝒙𝑨𝒑𝑩/𝒙𝑩
=𝒚𝑨𝒙𝑩𝒚𝑩𝒙𝑨
=𝑷𝑨𝑷𝑩
𝑳𝒏 𝑷𝒊𝒔𝒂𝒕/𝑲𝑷𝒂 = 𝑨
−𝑩
𝑻 °𝑪 + 𝑪
Cálculo de las
presiones parciales
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2. TORRE DE ENFRIAMIENTO
OBJETIVOS:
Afianzar los conocimientos previos en fundamentos de transferencia de
calor y masa sobre torres de enfriamiento y humidificación.
Estudiar los principios básicos del proceso de enfriamiento del agua
utilizando una torre de enfriamiento de tiro forzado.
Analizar el comportamiento experimental de la torre de enfriamiento
frente al comportamiento teórico.
Calcular la eficiencia térmica de la torre.
INTRODUCCION
En las torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente que proviene de un circuito de refrigeración mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de la torre. A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado denominado “relleno”. El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico. Existen varios tipos de torres de enfriamiento, pero es pertinente el conocimiento previo de torres de tipo forzado debido a que es precisamente en este tipo de torre que desarrollaremos la práctica de laboratorio que estaremos ejecutando a continuación. Las torres de tipo mecánico proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado. Se trata de torres compactas, con una sección transversal y una altura de bombeo pequeñas en comparación con las torres de tiro natural. En estas torres se puede controlar de forma precisa la temperatura del agua de salida, y se pueden lograr valores de acercamiento muy pequeños. Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire, el tiro es forzado, y si se encuentra en la zona de descargue del aire, se habla de tiro inducido. En las torres de tiro forzado el aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre. Estas torres son, casi siempre, de flujo a contracorriente. Son más eficientes que las torres de tiro inducido, puesto que la presión dinámica convertida a estática realiza un trabajo útil. el aire que se mueve es aire frio de mayor densidad que en el caso de tiro inducido, esto significa que el equipo mecánico tendrá una duración mayor que el de tiro inducido, ya que el ventilador trabaja con aire frio y no saturado, menos corrosivo que el aire caliente y saturado de la salida. Como inconveniente debe mencionarse la posibilidad de que exista recirculación del aire de salida hacia la zona de baja presión creada por el ventilador en la entrada de aire.
14
Una de las aplicaciones más importantes que poseen las torres de enfriamiento
es el de ser el equipo industrial utilizado para llevar a cabo la operación unitaria
llamada: humidificación y se consigue al poner en contacto el aire seco, a una
temperatura tal que el aire aumente su contenido en humedad. Una de las
herramientas más importantes de esta operación es la carta psicométrica, la
cual es una representación gráfica de las ecuaciones analíticas de esta
operación en especial para las mezclas aire y vapor de agua y por eso en
nuestra practica analizaremos este concepto por medio de cálculos
desarrollados.
FUNDAMENTOS TEORICOS
Las torres de enfriamiento tienen como finalidad enfriar una corriente de agua por vaporización parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y latente de una corriente de aire seco y frío que circula por el mismo aparato. Las torres pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se
TORRE DE ENFRIAMIENTO TIPO FORZADO
CARTA PSICOMÉTRICA
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centra en un equipo de costo inicial bajo y de costo de operación también reducido. Con frecuencia la armazón y el empaque interno son de madera. Es común la impregnación de la manera, bajo presión con fungicidas. Generalmente el entablado de los costados de la torre es de pino, poliéster reforzado con vidrio, o cemento de asbesto. Pueden empacarse con empaques plásticos. El empaque de plástico puede ser polipropileno, moldeado en forma de enrejado o alguna otra forma. El espacio vacío es muy grande, generalmente mayor del 90% con el fin de que la caída de presión del gas sea lo más baja posible. Como consecuencia la superficie de la interface no sólo incluye la superficie de las películas líquidas que humedecen el empaque, sino también la superficie de las gotas que caen como lluvia desde cada fila. Las torres de enfriamiento se clasifican según la forma de suministro de aire en:
Torres de circulación natural
Atmosféricas
Tiro natural
Torres de tiro mecánico
Tiro inducido
Tiro Forzado
Otros tipos: Torres de flujo cruzado
RELLENO DE LA TORRE
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Partes de una torre de enfriamiento Generalmente podemos decir que las torres de enfriamiento están constituidas por las siguientes partes:
Motor eléctrico: Suministra la potencia necesaria al ventilador.
Ventilador: Impulsa el aire a través del relleno en torres de tiro mecánico, compensando la caída de presión del aire a través de la torre. Se fabrica con aspas de aluminio o de resina de poliéster reforzado con fibra de vidrio.
Separador de gotas: El separador de gotas tiene la finalidad de detener las gotas de agua que arrastra la corriente de aire al salir de la torre. Este objetivo se consigue mediante un cambio brusco de la dirección (60 grados es la más efectiva) del aire al salir.
Sistema de distribución de agua a enfriar: Este sistema de tuberías y conducciones tiene la finalidad de repartir uniformemente el flujo de agua por encima del relleno. Existen dos métodos de reparto: por gravedad o por presión.
Balsa: Situada en la parte inferior de la torre, es el depósito de agua fría de la torre.
COMPONENTES DE LA TORRE DE ENFRIAMINETO DE LABORATORIO:
Equipo Mecánico.
Sistema de distribución del agua.
Sistema de distribución del aire.
Relleno.
Contenedor y sistema de Calentamiento de agua.
Base recolectora del agua fría.
PARTES DE UNA TORRE
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MATERIALES:
Los materiales necesarios para ejecutar la prueba de laboratorio de torres de
enfriamiento son:
Agua
Bomba centrifuga de velocidad variable
Termopares
Rotámetro
Controladores de temperatura
Tanque de almacenamiento de agua
Válvulas de control
Torre de enfriamiento
Computadora-Software
Interface de control de la torre
PARTES DE LA TORRE.
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:
1. Reconocer los componentes de la torre de enfriamiento, la ubicación de los
sensores, el medidor de flujo, el ventilador y la resistencia.
2. Conectar los equipos electrónicos a utilizar (torre de enfriamiento y la
computadora de control).
3. Encender los equipos electrónicos.
4. Obtener el nivel deseado del recipiente de almacenamiento de agua caliente
de la torre (se recomienda un nivel superior al de la resistencia o interruptor de
nivel para un calentamiento eficiente).
5. Ingresar a la interface, de control del equipo de enfriamiento de agua, en la
computadora.
6. Fijar las variables manipuladas y a controlar, en este laboratorio se aconseja
que sean los caudales de entrada de aire y la temperatura de entrada para el
agua caliente suministrada al equipo, respectivamente.
ROTÁMETRO RESISTENCIA
VENTILADOR
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7. Al obtener la temperatura del agua deseada, se procede a guardar los datos
obtenidos, por medio de la computadora.
8. Proceder a repetir esta serie de pasos siete veces con el fin de realizar el
respectivo análisis, teniendo en cuenta que la temperatura de calentamiento del
agua debe ser menor en la primera corrida e irla aumentando en cada corrida,
para obtener un funcionamiento correcto del equipo.
TERMOPARES TERMOPAR DE BULBO HÚMEDO
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PROCEDIMIENTO DE CÁLCULOS:
Nomenclatura utilizada:
T1=Temp. De Calentamiento Del Agua
T2=Temp. De Entrada De Agua
T3=Temp. De Entrada De Bulbo Húmedo Del Aire
T4=Temp. De Bulbo Seco Del Aire
T5=Temp. De Salida De Bulbo Húmedo Del Aire
T6=Temp De Salida De Bulbo Seco Del Aire
T7= Temp De Salida Del Agua
SPD-1= Caudal De Entrada Del Aire
SC-1= Caudal De Entrada Del Agua
NOTA: Las temperaturas y los caudales están en ºC y L/min respectivamente
1. Calculo de la eficiencia de la torre de enfriamiento:
= −
−
Donde: Tsalida agua y T bh aire entrada serán proporcionadas por el equipo.
2. Cálculos de humidificación
Por humificación podemos obtener la cantidad de agua que se evapora.
= −
Debido a que el equipo nos suministra las temperaturas del aire de bulbo
húmedo y seco tanto en la entrada y en la salida de la torre, Podemos
obtener a través de la carta psicométrica los valores de las humedades
absolutas tanto en la entrada como de salida.
3. Porcentaje del calor disipado de la torre en condiciones de operación
con respecto a la de diseño.
Este porcentaje lo podemos obtener mediante la siguiente relación:
% =
22
Donde QD y QP son los calores de diseño y de operación
respectivamente y se pueden calcular de la siguiente forma:
= ( −
)
Donde
: Flujo másico de diseño de agua
Y
= ( −
)
Donde
: Flujo másico de operación de agua
: Temperatura de agua caliente
: Temperatura de agua fría
.
TABLAS PARA DATOS
Corrida no.
Temperatura en °C Valores registrados al inicio Valores registrados al final
AVERAGE
SC1
SPD
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Carta psicométrica, tomada del libro de operaciones unitarias tomo 1, Ocon & Tojo
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3. MANEJO DE SOLIDOS
OBJETIVOS
Conocer la importancia de cada una de las operaciones unitarias
estudiadas en el manejo de sólidos a nivel industrial.
Identificar las variables necesarias para el análisis y operación de los
equipos de tamizado, transporte neumático, mezcladores en “V”,
molienda: molino de bolas, densidad aparente, ángulo de reposo.
INTRODUCCIÓN
Los sólidos son, en general, más difíciles de tratar que los líquidos, gases,
vapores. En los procesos, los sólidos pueden presentarse de diversas formas:
grandes piezas angulares, anchas láminas continuas o polvos finamente
divididos. Pueden ser duros y abrasivos, resistentes o gomosos, blandos o
frágiles, polvorientos, plásticos o pegajosos. Con independencia de su forma,
es preciso encontrar medios para manipular los sólidos tal como se presentan,
y si es posible mejorar sus características de manipulación.
El comportamiento de los sólidos es similar al de los fluidos cuando se
encuentran secos y no se pegan, por ejemplo pueden fluir a través de un
orificio y ejercen presión sobre las paredes del recipiente en el que esté
contenido. Los sólidos que tienen la capacidad de fluir fácilmente se denominan
no cohesivos, en este grupos encuentran los granos y materiales como arena;
y por el contrario aquellos que presentan una dificultad para fluir a través de
orificios o no pueden hacerlo son los no cohesivos como por ejemplo la arcilla
húmeda.
Algunas de las operaciones que se utilizan para estudiar el comportamiento y
propiedades de los sólidos son Análisis granulométrico por tamizado, Ángulo
de reposo, Densidad aparente, Ciclón y transporte neumático, Molienda,
Mezcla de Sólidos
Análisis granulométrico por tamizado: El tamizado es un método para
separar partículas sólidas de diferente tamaño haciendo pasar la muestra por
una serie de tamices que consta cada uno de un bastidor o malla con aberturas
cuadradas o redonda.
El tamaño de las aberturas es característico para cada tamiz y se denomina luz
de malla, dos conceptos de gran importancia en este análisis son:
a) Cernido: fracción de partículas que atraviesan el tamiz.
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b) Rechazo: fracción retenida en el tamiz.
Una tamizadora consiste en un conjunto de tamices normalizados, acoplados
verticalmente a los que se les transmiten unas vibraciones producidas por un
imán lo que da un movimiento rotatorio a la masa de sólidos a tamizar. Los
tamices son ordenados de arriba abajo por orden decreciente de luz de malla,
en la parte inferior se coloca un bastidor ciego es decir sin malla llamado fondo
en el que se recoge el sólido que no es recogido por el último tamiz. La
alimentación se ingresa por el primer tamiz, se genera entonces un rechazo y
un cernido que pasa al siguiente tamiz de menor luz de malla que el anterior,
constituyendo su alimentación, y así sucesivamente. Al terminar el proceso
cada rechazo se pesa, y la suma total de rechazos teórica debe ser igual a la
masa total que se depositó en la tamizadora.
Ángulo de reposo: El ángulo de reposo es el ángulo de la pendiente natural
de los lados de un material suelto apilado con respecto a un plano horizontal. Al
apilar un medio granular (pensar en un montículo de sal) el ángulo de reposo
que adopta toma valores entre ɵr y ɵm (Ver Figura 1). Por debajo de ɵr la pila de
sal siempre es estable, y por encima de ɵm se desencadenan avalanchas en la
superficie de forma espontánea. Cuando el ángulo que forma la pila se
manifiesta entre ambos, se presenta una biestabilidad, es decir, puede o no
tener lugar una avalancha en la superficie. Finalmente, el ángulo de reposo
depende del tamaño de la partícula, rugosidad de la superficie de la partícula,
esfericidad de la partícula, humedad y homogeneidad de la pila.
Densidad aparente:
Las partículas de una masa de sólidos se agrupan dejando espacios entre sí
debido a que no hay una homogeneidad entre el tamaño de estas, por lo cual
propiedades como la densidad y volumen calculados teniendo en cuenta este
espacio hueco se les denomina aparentes. Para conocer el volumen y
densidad reales, la muestra debe someterse a un proceso de compactación
para eliminar los espacios. A partir de los valores reales y aparentes de una
muestra se calcula la fracción de compactación que es un indicativo de que tan
empaquetadas están las partículas, toma valores de 0 a 1.
𝜃𝑚 𝜃𝑟
Esquema ángulo de reposo.
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Transporte neumático: Es el desplazamiento de sólidos granulares o polvos
secos debido a un flujo de gas, en donde el aire es utilizado como gas
transportador en la gran mayoría de los casos y su movimiento puede ser
producido por una presión positiva o negativa ejercida sobre el gas. El sistema
de transporte neumático puede consistir en trasladar un material a través de
una tubería hacia un lugar deseado, con el movimiento de aire causado al
aumentar o disminuir la presión a partir de la presión normal o atmosférica. Las
técnicas de transporte neumático pueden clasificarse en tres (3) grupos
principales: Transporte por gravedad con ayuda de aire, donde el ángulo de
rozamiento de sólidos se reduce por influencia del aire que pasa a través de él
mediante una presión o una depresión; Transporte por presión o por aspiración
(Introducción de sólidos en el aire), en el cual el sólido se agrega a una
corriente de aire motivada por medio de una presión o de una aspiración;
Transporte por presión o por aspiración (Introducción de aire en el sólido),
donde el aire de transporte se agrega al sólido y este puede estar a una
presión mayor que la atmosférica, o a la presión atmosférica bajo la influencia
de una aspiración. Los Sistemas de transporte neumático se utilizan
ampliamente en la industria para transportar materiales secos, finos y a granel
porque son extremadamente versátiles, adecuados y económicos para muchos
procesos. Este mecanismo junto con el de flujo másico van complementados
debido a la importancia de cada una de las propiedades del material manejado.
Las características de transporte exponen el comportamiento del flujo másico
de sólido en función del flujo másico de gas y la caída de presión necesaria
para transportar el material a diferentes concentraciones.
Trituración y molienda: Las operaciones unitarias trituración y molienda se
utilizan para la reducción de tamaño de una masa de partículas sólidas, se
aplica para cortar o romper partículas en piezas más pequeñas.
Existen cuatro tipos de fuerzas que pueden intervenir en el proceso de
reducción de tamaño:
a) La compresión se utiliza para reducción gruesa de sólidos bastante duros.
b) El impacto genera productos gruesos, medios y finos.
c) La frotación o rozamiento a partir de sólidos blandos no abrasivos da como
resultado productos bastantes finos.
d) El corte permite obtener un tamaño de partícula definido.
Específicamente, las grandes piedras de un mineral crudo se desintegran hasta un tamaño manejable; los productos químicos sintéticos se muelen hasta polvo y las láminas de plástico se cortan en cubos o rombos; pero en general la reducción de tamaño busca incrementar la eficiencia de operaciones y aumentar la reactividad de los sólidos debido a un incremento en el área superficial.
27
Mezcla de sólidos: es un mecanismo de manejo de solidos muy importante
para la industria primordialmente la industria farmacéutica y puede definirse
como una operación unitaria encaminada a tratar dos o más componentes que
inicialmente se encuentran separados o parcialmente mezclados de forma tal
que cada unidad (partícula, molécula,…) de uno de los componentes
establezca el contacto más próximo posible con una unidad de cada uno de los
demás componentes. Los mezcladores de sólidos en “V” se caracterizan por
la efectividad en su mezcla de 1 a 100.000 partes y su facilidad de limpieza.
MATERIALES Y EQUIPOS
Molino de bolas y bolas de diferentes tamaños.
Tamizadora vibradora y conjunto de 8 tamices (desde 2 mm hasta 0.063
mm).
Mezclador de tambores gemelos o en “V”.
Probeta graduada.
Transportador neumático.
Tolvas cilíndricas.
Bandeja colectora.
Compresor.
Balanza.
Beaker.
Cilindro rotacional.
Posibles materiales (harina, azúcar, arena, tiza, carbón). Cabe aclarar
que en esta guía se desarrolla el procedimiento experimental utilizando
carbón.
28
EQUIPO DE LABORATORIO
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Equipo de manejo de sólidos.
Tamizadora
vibradora y conjunto
de 8 tamices (desde
2 mm hasta 0,063
mm)
Tablero de
control
Molino de
bolas
Ciclón
Transportador
Neumático
Mezclador en V
Compresor
Balanza digital
Cilindro rotacional
29
Análisis granulométrico por tamizado
Pesar 800 gramos de carbón, previamente sometidos a un proceso de
trituración y molienda.
Colocar sobre el tamiz número 1 (de mayor abertura) del sistema de
tamices, la cantidad de carbón pesada.
Accionar el equipo de vibración para agilizar el tiempo de tamizado.
Finalizado el tiempo de vibración (aproximadamente 7 minutos), pesar la
cantidad de material retenida en cada malla.
Ángulo de reposo
Para este experimento se necesitaron simplemente un cilindro rotatorio y una
muestra de carbón. Se desea observar el ángulo de reposo de cada una de las
muestras retenidas por los tamices luego de efectuar el proceso de tamizado,
la lectura del ángulo de reposo se realiza llenando el cilindro rotatorio hasta la
mitad de su capacidad, luego se gira lentamente hasta que se comience a
producir un deslizamiento de las partículas; se toma nota del ángulo que
describa la muestra y se repite el mismo procedimiento pero para el lado
contrario. Finalmente, el ángulo de reposo es una media entre los datos
obtenidos.
Transporte neumático
1. Pesar una cantidad determinada del material escogido.
2. Depositar el sólido en las tolvas de almacenamiento del equipo.
3. Ubicar el recipiente receptor en la descarga del sólido.
4. Colocar el tubo de aspiración en el interior de la tolva donde se encuentra el
sólido almacenado.
5. Encender el compresor que transportará el aire necesario para que el
material pueda moverse desde la tolva hasta el recipiente receptor pasando
por un ciclón.
6. Tomar mediante un cronometro el tiempo que transcurre para el transporte
total de la cantidad de solido desde la tolva hasta el recipiente de descarga.
30
7. Repetir los pasos 4 a 6 variando la presión de aire del compresor.
Densidad aparente
Para determinar la fracción de compactación de una muestra de carbón, es
necesario primero calcular la densidad aparente; para lo cual se utilizar los
siguientes materiales:
1. Balanza electrónica.
2. Muestra de carbón.
3. Probeta de 1000 mL de polipropileno.
4. Tamizadora vibratoria.
Es necesario definir algunas variables:
=
= +
=
=
=
Usando la balanza se pesan 800 gramos de carbón, se vierten en la probeta y
se determina el volumen que ocupan los sólidos sin compactar, se calcula la
densidad aparente de la muestra mediante la siguiente fórmula:
=
Luego, la probeta se coloca en la tamizadora y es sometida a un ciclo de
vibraciones hasta que el volumen no disminuya más debido a que la muestra
se debe compactar, gracias a las vibraciones los espacios huecos serán
ocupados.
El volumen que se observe en la probeta, es el volumen real de la muestra con
el cual se calcula la densidad real, utilizando la siguiente formula:
=
Finalmente, la fracción de compactación de la muestra estudiada puede
calcularse de las siguientes maneras:
=
=
Trituración y molienda
31
Práctica 1: Tomar una masa de sólido con un tamaño homogéneo y
determinar la homogeneidad de la molienda, es decir, si a partir de un
tamaño dado de las partículas (tamizado previo), se tiene uno o varios
tamaños (tamizado final), pudiendo variar además el tiempo de
molienda.
Práctica 2: Tomar una masa de sólido con un tamaño heterogéneo y
determinar la homogeneidad de la molienda.
Una vez decidida la práctica, se carga el molino con la muestra y 3.5 kg de
bolas, el tamaño y la proporción de las bolas puede variar también y ser
estudiado. Antes de encender el molino, el regulador de velocidad se sitúa al
mínimo. Posteriormente se incrementa la velocidad hasta ver que las bolas
caen libremente. El tiempo de molienda puede variar entre 10 y 30 minutos
Mezclador en “V”
1. Tamizar las muestras antes de mezclar.
2. Tamizar las muestras mezcladas.
3. Fracción de las muestras.
4. Porcentaje de error con respecto a las fracciones iniciales
32
CÁLCULOS
Tamizado
1. Realizar el análisis Diferencial y análisis acumulativo de la muestra de
sólido del azúcar, harina o carbón.
Análisis Diferencial
Malla (mm) Peso retenido (g) Fracción Retenida Diámetro medio Dpi (mm)
TOTAL (g) ----- -----
Tabla 1. Análisis Diferencial de tamizado.
Análisis acumulativo
Malla (mm) Peso retenido (g) Fracción acumulativa Fracción que pasa
TOTAL (g) ----- -----
Tabla 2. Análisis Acumulativo de tamizado.
2. Determinar la densidad de los sólidos en estudio.
33
=
3. Determinar el número de partículas en cada una de las muestras
=
∑(
)
m=masa muestra g
= densidad de partícula
Dp= diámetro de partícula
a= factor de forma
𝜙s= coeficiente esfericidad
=Fracción retenida
4. Calcular el área superficial de la muestra de partículas
=
∑(
)
5. Curva granulométrica
6. Hallar el diámetro medio, el coeficiente de uniformidad y el tamaño efectivo
de la muestra de sólidos.
=
=
=
∑(
)
Transporte neumático
1. Determinar la velocidad con la que las partículas se transportan a través de
la tubería.
34
Diámetro a la entrada 0,8 cm
Diámetro salida de finos 0,8 cm
Diámetro del cuerpo del ciclón 2,5 cm
Diámetro salida 0,8cm
Tabla 3. Diámetros del ciclón.
El caudal en la entrada del ciclón está dada por:
=
Calculamos el área tomando la ecuación
=
La velocidad del aire la calculamos tomando la ecuación
=
2. Calcular la caída de presión en el sistema de transporte neumático.
De Bernoulli se obtiene que la caída de presión sea:
=
3. Hallar la velocidad terminal de la partícula en el interior del ciclón.
Se Calcula el número de revoluciones
=
( +
)
Donde
=Número de vueltas eficaces
= altura del conducto de la entrada (cm)
= longitud del cuerpo del ciclón (cm)
= longitud (vertical) del cono del ciclón (cm).
Calculamos la velocidad terminal del ciclón:
35
=
−
Donde
= velocidad terminal (cm/s)
= diámetro de la partícula (cm)
= densidad de la partícula (g/cm3)
= viscosidad del gas (g/cm s) = densidad del gas (cg/m3)
= radio del cuerpo del ciclón (m o pie)
4. Determinar el diámetro mínimo necesario para que la partícula sólida sea
recogida al fondo del ciclón.
=
−
5. Calcular el tiempo de residencia de las partículas en el interior del ciclón.
=
6. La velocidad terminal que apenas permitirá que una partícula sea recogida
en t es
=
Mezcladores en V
1. Datos de tamizado antes del mezclado
Material Tiempo tamizado (min)
Velocidad (rpm)
Apertura del tamiz usado (mm)
Cantidad inicial (g)
Masa retenida (g)
Tabla 4. Datos de tamizado antes del mezclado
2.
Vt
dp
p
36
Tamices Apertura (mm) Corrida N – masa retenida (g)
Corrida N – masa retenida (g)
Corrida N – masa retenida (g)
1
2
3
4
=
% =| − |
37
4. EVAPORADOR DE DOBLE EFECTO
OBJETIVOS
Objetivo General Analizar el funcionamiento de un evaporador de doble efecto para aumentar la concentración de una solución de sacarosa (azúcar común), teniendo en cuenta las condiciones de operación y los parámetros de diseño que intervienen en su construcción. Objetivos Específicos Determinar los coeficientes globales de transferencia de calor para cada
uno de los efectos mediante correlaciones. Determinar el área de transferencia de calor para cada uno de los efectos.
Comparar los resultados de las áreas calculadas teóricamente con las experimentales.
Realizar los balances de materia necesarios para la operación. Identificar los parámetros o las condiciones óptimas para la operación del
equipo.
INTRODUCCIÓN
La evaporación es una operación básica en la cual se concentra una disolución eliminando parte del líquido que pasa a la fase vapor en recipientes o vasijas calentadas con el mismo, en este caso el agua es el disolvente que con más frecuencia se ha de separar. Dentro de las ventajas que presenta el uso de la evaporación se pueden citar las siguientes:
Gran utilización del vapor. La presión se distribuye en los efectos que constituyen el sistema de
evaporación. Los vacíos que se llevan a cabo en cada efecto hace que fluyan los
concentrados de un efecto a otro.
MARCO TEÓRICO
Los diversos tipos de evaporadores utilizados industrialmente pueden clasificar
en evaporadores de operación simple y evaporadores de múltiple efecto; los de
operación simple son aquellos en los que se hace uso de un solo evaporador y
el vapor procedente del líquido en ebullición se condensa y desecha
posteriormente. Por su parte, los de múltiple efecto consisten en una serie de
38
evaporadores dispuestos entre el suministro de vapor vivo y el condensador, es
decir, el vapor de agua original se reutiliza a medida que pasa por los efectos
del equipo aumentando la evaporación por kilogramos de vapor de agua y de
esta forma la concentración del soluto al final del circuito.
Evaporadores de múltiple efecto: En estos evaporadores las conexiones están hechas de tal forma que el vapor
procedente de un efecto sirve de medio de calefacción para el siguiente efecto.
EQUIPOS E INSTRUMENTOS
Especificaciones Técnicas:
Equipo piloto de pequeña escala de tipo laboratorio.
Tanque de alimentación en acero inoxidable con capacidad de 11 litros. Evaporador del primer efecto en acero 430. Evaporador del segundo efecto en acero 430, provisto de chaqueta para
vapor proveniente del primer efecto con espesor de 2 cm. Dos resistencias de 1100W de potencia en la parte inferior del tanque de
alimentación y del evaporador del primer efecto. Condensador de Aluminio en forma de serpentín. Una termocupla. Un termómetro. Indicador universal de procesos N1500, compatible con los principales
termopares, termoresistencias pt100 y señales lineales como a 4-20 mA 7 válvulas de bola (V-1, V-2, V-3, V-4, V-5, V-6, V-7.) Tubería de acero inoxidable, diámetro nominal 1/4 pulgada.
39
DIAGRAMA DE FLUJO
SISTEMA DE CONTROL
40
En el evaporador del primer efecto es controlada la temperatura de la solución mediante la acción del controlador NOVUS N1500 sobre la energía alimentada a la resistencia R2. Toda la configuración del instrumento es hecha a través del teclado teniendo
en cuenta.
OPERACIÓN DEL EQUIPO
1. Preparar la solución de sacarosa, agitando vigorosamente y cuidando de
obtener una solución lo más homogénea posible.
2. Luego de preparada la solución, utilizar un refractómetro para determinar
el % p/p de la alimentación.
41
3. Purgar el sistema de trabajo con agua, eliminando ésta por las válvulas
de drenado adecuadas.
4. Asegurar que todas las siete válvulas estén cerradas.
5. Llenar el tanque de alimentación con 6 Litros de solución
6. Abrir V-1 para hacer pasar 6 Litros de solución desde el tanque de
alimentación hacia el efecto 1. Cerciorarse con anticipación que V-5 y
V-7 estén abiertas, para que pueda fluir la solución. Tiempo de carga al
primer efecto.
7. Volver a verter 12 litros de solución en el tanque de alimentación.
8. Conectar el equipo a la fuente de suministro de energía (110 voltios).
Encender el interruptor general y posteriormente prender las dos
resistencias del sistema simultáneamente. Mantener V-5 y V-7 abiertas
para no acumular presión y se alcance más pronto el punto de ebullición
en el primer efecto.
9. Al iniciar el proceso de calentamiento en la alimentación sellar el
tanque, para evitar que se pierda solución por evaporación. Mientras
tanto, monitorear la temperatura de la alimentación para que no exceda
los 80°C y evitar que la solución alcance su punto de ebullición. Apagar
la resistencia en caso de ser necesario.
10. Colocar un recipiente para la toma o recogida de condensado (producto
del agua evaporada en el primer efecto y que se condensa en la
chaqueta del segundo efecto), una vez alcanzada una temperatura
cercana a los 100,4 °C, se debe garantizar que el vapor liberado sea
condensado (se sugiere burbujear en el recipiente).
11. Una vez se alcance a recoger 500 mL de condensado proveniente de la
chaqueta, se abren V-6 y V-3 para pasar toda la solución del primer al
segundo efecto. Cerciórese que V-4 permanezca cerrada. El proceso de
descarga dura aproximadamente 3 minutos, se recomienda corroborar
constantemente que ha vaciado completamente el primer efecto
abriendo V-2 durante el proceso.
12. Inmediatamente se lleve a cabo el paso anterior, se debe descargar los
6 litros precalentados en el tanque de alimentación abriendo V-1. Tenga
precaución con la salida abundante de vapor caliente a través de V-7
durante este proceso.
42
13. Se cierra V-7 para que la presión en el primer efecto aumente y con ello
el punto de ebullición de la solución, para que el vapor generado pueda
hacer ebullir la solución contenida en el segundo efecto. Sin embargo,
es necesario aliviar la presión cada cierto tiempo (recomendados cada 2
minutos) o cuando aumente demasiado (lo que ocurra primero).
14. Una vez se hayan condensado nuevamente 500 ml provenientes de la
chaqueta, se repite el proceso desde el paso 11 para culminar el ciclo.
Procedimiento Experimental.
1. Preparar 12L de solución de sacarosa para un 10 %p/p.
2. Llenar el tanque de alimentación primeramente con 6 Litros de solución y descargar completamente al segundo efecto, posteriormente verter la cantidad restante de solución a la alimentación y encender el interruptor general y ambas resistencias.
3. Apagar la primera resistencia una vez se alcancen aproximadamente 80°C.
4. Una vez se alcancen 500 mL de vapor condensado proveniente de la chaqueta, tomar la muestra del primer efecto y descargar completamente hasta el efecto 2. (tiempo aproximado: tres minutos) Acto seguido se descargan 6 L de la solución en la alimentación.
5. Cerrar la válvula de salida del vapor de la chaqueta para aumentar la presione en el primer efecto. Recordar despresurizar periódicamente para evitar succión al momento de la descarga.
6. Luego de que se condensen nuevamente 500 mL provenientes de la chaqueta se toma la muestra del segundo efecto.
7. Para finalizar la experiencia, cerciorarse de que las resistencias estén apagadas, esperar un tiempo considerable para que se condensen un poco los vapores calientes contenidos antes de liberarlos, por ultimo descargue el contenido en ambos efectos.
8. Purgar como medida de limpieza para evitar incrustaciones y corrosión.
Procedimiento de Cálculo.
43
Para el 1° efecto se tiene:
Donde es el calor disipado por la resistencia, El coeficiente global de transferencia de calor,
La temperatura superficial de la resistencia, La temperatura de ebullición de la solución.
Para el 2° efecto se tiene:
Donde es la entalpia del flujo de vapor generado en el primer efecto
Para la determinación del coeficiente relacionado con la película de agua
condensada se utiliza la siguiente correlación (Sadasivan y Lienhard)
44
Velocidad del flujo másico a partir de la expresión:
Determina el número de Reynolds, para establecer el flujo con el que se
trabaja:
Ahora con este régimen se aplica la correlación para calcular el coeficiente de
convección:
El número de se expresa como:
Igualando:
Información Requerida
Para el efecto 1
45
Para el efecto 2
46
5. SECADOR CONVENCIONAL
OBJETIVO GENERAL
Reconocer, operar y realizar pruebas en el secador de bandejas.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Reconocer un secador de bandejas y cada una de las partes que lo
componen.
Determinar la perdida de humedad del solido húmedo.
Realizar prácticas y observar la pérdida de peso con respecto al tiempo.
Determinar la curva de velocidad de secado y mirar cómo afecta sobre el
sólido.
INTRODUCCIÓN
El secado de sólidos no es más que la separación de pequeñas cantidades
de agua u otra sustancia en estado líquido de un material sólido con el fin de
reducir el contenido de humedad del sólido y adecuarlo a las condiciones a las
cuales necesitamos el sólido, existen diversos tipos de secadores entre estos
tenemos los secadores indirectos al vacio con anaqueles, secadores continuos
de túnel, secadores rotatorios, secadores por aspersión, secadores de
bandejas, este ultimo consiste en un gabinete lo suficientemente grande para
depositar el material a secar, este ha sido de gran utilidad ya que ayuda a
retirar la humedad de los sólidos; como los granos, anteriormente duraban días
secando estas partículas para que tuvieran las condiciones adecuadas, ahora
es cuestión de minutos dependiendo la eficiencia del equipo.
Este secador permitirá conocer el funcionamiento y comprobar las teorías
descritas para el secado de solido por medio de experimentaciones donde
compararemos los datos arrojados con los descritos en la literatura.
MARCO TEÓRICO
Secado: refiere a la eliminación de humedad en una sustancia. Como
referencia se resumen a continuación ciertos términos que se utilizan para
describir el contenido de humedad de las sustancias.
Humedad de equilibrio: cuando un sólido húmedo se pone en contacto,
durante un tiempo suficiente con el aire q se encuentra a unas condiciones de
humedad y temperatura determinadas y a su vez constantes, se alcanza las
47
condiciones de equilibrio entre el aire y el sólido. Esta se representa por ,
esta es función de la naturaleza del cuerpo, del estado de su superficie, y de la
temperatura.
Cuerpos higroscópicos: cuando la presión de vapor que acompaña al solido
es menor que la tensión de vapor de agua a la misma temperatura.
Cuerpos húmedos: cuando la presión de vapor de agua que acompaña al
solido es igual a tensión de vapor de agua a la misma temperatura.
Humedad libre: es la diferencia entre la humedad del sólido y la humedad de
equilibrio con el aire en las condiciones dadas = − , es decir, humedad
que puede perder el sólido después de un contacto prolongado con el aire a
unas condiciones dadas y constantes
Humedad ligada: también llamada agua ligada, se refiere a la humedad
contenida en una sustancia que ejerce una presión de vapor en el equilibrio
menor que la del líquido puro a la misma temperatura.
Humedad desligada: Hace referencia a la humedad contenida en una
sustancia que ejerce una presión de vapor en el equilibrio igual a la del líquido
puro a la misma temperatura.
Velocidad del secado: perdida de humedad de solido húmedo en unidad de
tiempo, analíticamente se refiere a la unidad de área de superficie de secado.
=
(−
)
48
Siendo:
S: peso de solido seco A: área superficie expuesta W: velocidad de secado Tiempo de secado
Para el periodo antecritico se realiza mediante el resultado de integrar la
ecuación de duración de secado que se halla mediante la ecuaccion descrita
anteriormente, dando como resultado:
=
−
Si es mayor que se sustituye por .
Periodo poscrítico: existen dos métodos por el cual podemos hallar el tiempo.
grafico
Analítico
Método gráfico: se representa X contra
, el valor valor de la integral sera el
area bajo la curva.
Método analítico: si la velocidad de secado varia linealmente con la humedad,
desde la humedad critica hasta la final, la integración de la ecuación de tiempo
de secado conlleva a:
=
−
−
Si no se conoce como varia la velocidad de secado en este periodo se puede
obtener una expresión aproximada.
Grafica tomada del McCabe, Smith, & Harriot.
49
=
−
−
−
DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS
1: Balanza digital
2: puerta
1. Ventilador
2. Medidores de temperatura digitales
3. Ventanilla
4. Control de velocidad
5. Botones de encendido y apagado del equipo
6. Botones de encendido y apagado de resistencias
1
2
1
2
3
4 5
6
50
MATERIAL Y REACTIVOS
1. Cronómetro
2. Termómetros de 100 ºC
3. Balanza digital
4. Anemómetro digital
5. Bandejas o recipientes donde se colocará el material a secar
3. Solido a secar
FUNCIONAMIENTO
1. Conectar el equipo a l toma de electricidad de 110 V.
2. Coloque el material a secar en el equipo.
3. Encienda la balanza y pese su solido
4. Encender el equipo
5. Encender la resistencia (s) que necesitemos.
6. Colocar la velocidad deseada
7. Tomar el peso a determinado tiempos
8. Terminada la operación apagar primero las resistencias y dejar el ventilador
encendido en la máxima velocidad hasta que baje la temperatura del
sistema.
9. Apagar el ventilador
10. Apagar el equipo y desconectar
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Curvas de secado y velocidad
Realizar los pasos explicados en el funcionamiento
el control de velocidad del ventilador debe estar en la posición baja
Velocidad del ventilador
1 2 3
R1 39 °C 37 °C 35 °C
R2 45 °C 43 °C 41 °C
R1 +
R2
68 °C 64 °C 60 °C
51
Esperar un tiempo para que el secadero llegue a las condiciones
requeridas, luego observe las temperaturas de cada zona
Humedecer las muestras con los ml de agua con una cantidad
conocida.
Introducir el material húmedo en las bandejas y tomar la lectura del peso
inicial
Recolectar los datos
Tiempo(min) 0 5 10 15 20
Peso del
material
húmedo
Humedad
Humedad
base seca
Resultados a reportar
Hacer una gráfica X vs t
Hacer una gráfica dX/dt vs X
Identifique los periodos de secado
Determine humedad critica, humedad de equilibrio, humedad libre,
humedad libre entre la crítica y la de equilibrio
Determinar la velocidad de secado para el periodo constante
Influencia de la velocidad del aire en la velocidad de secado cuando la
temperatura es igual en cada periodo.
Realice el procedimiento que esta descrito en el funcionamiento
Escoja una velocidad y una temperatura constante
Resultados a reportar
Realice la tabla
Realice la gráfica X vs t
Realice la gráfica dX/dt vs X
Halle la velocidad de secado para el periodo constante
52
PREGUNTAS
1. ¿Cómo influye el tiempo en la cantidad de agua retirada al solido
húmedo?
2. ¿La velocidad de secado se ve afectada si la velocidad del aire
disminuye o aumenta?
3. ¿En que afecta la humedad del aire que entra al proceso de secado?
4. ¿Cuál es la eficiencia del secador de bandejas y es conveniente usarlo a
escalas industriales?
53
6. Bomba de calor Reversible
OBJETIVOS OBJETIVO GENRAL Aplicar los conocimientos teóricos en los que se fundamenta el funcionamiento de una bomba de calor reversible aire – aire a escala piloto en el laboratorio. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar cálculos experimentales que determinen la razón de transferencia de calor de una bomba de calor reversible aire - aire con su entorno o recinto cerrado.
Reconocer cada una de las partes que conforman el equipo de bomba de calor y su respectiva función en los procesos termodinámicos involucrados.
Comprender la importancia del equipo de bomba de calor en el desempeño de los sistemas de refrigeración y calefacción usados en la industria y sus posibles aplicaciones a otros campos de la ingeniería.
Determinar la eficiencia ideal de una bomba de calor reversible aire - aire. Aplicar conocimientos relacionados a convección forzada y natural para interpretar la
interacción de la bomba de calor reversible aire - aire con el entorno en el cual se desempeña.
Calcular los coeficientes de transferencia de calor externos.
INTRODUCCIÓN Una bomba de calor es una máquina térmica que permite transferir energía en forma de calor de un ambiente a otro. Para lograrlo se requiere un aporte de trabajo al sistema, lo cual está acorde a la segunda ley de la termodinámica, según la cual el calor se dirige de manera espontánea de un foco caliente a otro frío, y no de manera inversa, hasta que sus temperaturas se igualen o alcancen valores muy cercanos al equilibrio térmico. La bomba de calor está formada por un circuito frigorífico clásico (compresor, condensador, sistema de expansión y evaporador) del que se aprovecha la energía calorífica cedida por el condensador (aire caliente o agua caliente que sale del condensador) y no la que se absorbe en el evaporador (fuente fría) del aire ambiente o del agua de un pozo o de un río. El principio de funcionamiento lo podemos observar en la siguiente figura.
54
Fuente: Rey Martínez, Francisco Javier y Gómez Velazco, Eloy.
Bombas de calor y energías renovables en edificios. Editorial Thomson.
MARCO TEORICO La bomba de calor es un sistema reversible que puede suministrar calor o frío cuya temperatura es inferior o superior a la del local a calentar o refrigerar, utilizando para ello una cantidad de trabajo comparativamente pequeña. En las máquinas frigoríficas; en donde está el motor térmico, el fluido
termodinámico obtiene calor del foco caliente, realiza trabajo mecánico y cede
calor al foco frío. En la máquina frigorífica, la transferencia de energía térmica
se realiza en el sentido contrario al que se produce de forma espontánea en la
naturaleza y, según el segundo principio de la Termodinámica, esto sólo puede
realizarse consumiendo trabajo. Por tanto, el diagrama energético funcional de
una máquina frigorífica es el que muestra la figura
Diagrama energético de una máquina frigorífica
Fuente: Bloque Temático II. Principios De Máquinas; Máquina frigorífica y bomba de calor.
Donde representa la energía térmica absorbida por el fluido desde el foco
frío que se encuentra a una temperatura . Representa el calor cedido por
el fluido al foco caliente, cuya temperatura es y es el trabajo que se debe aportar al fluido para conseguir que la transferencia térmica se realice desde el foco frío hacia el foco caliente.
= +
1. Compresor
2. Evaporador
3. Válvula de expansión
4. Condensador
5. Válvula de cuatro vías
55
El proceso de transferencia de energía calorífica que se realiza en la bomba de calor se consigue por medio de un sistema de refrigeración por compresión de gases refrigerantes, cuya particularidad radica en una válvula inversora de ciclo que forma parte del sistema, la cual puede invertir el sentido del flujo de refrigeración, transformando el condensador en evaporador y viceversa. Pueden emplearse para refrigerar un recinto o bien para calentar otro. Esto es lo que hace el frigorífico: enfría su interior y calienta el exterior, y es lo que hace el aire acondicionado: enfría el interior de la vivienda y calienta el aire de la calle.
Esquema de distribución para un aire acondicionado convencional
Fuente: Bloque Temático II. Principios De Máquinas; Máquina frigorífica y bomba de calor.
De esta manera podremos tener dos tipos de configuraciones posibles sin la necesidad de invertir físicamente la disposición del equipo, para ello es necesario disponer de un único camino para el fluido, pero con la posibilidad de hacerlo circular en un sentido o, en el contrario, de forma que se pueda lograr un funcionamiento, o el contrario. El dispositivo que permite esta inversión de giro es una válvula de cuatro vías, dos de entrada y dos de salida, y dos posiciones. La siguiente figura muestra el funcionamiento de la válvula en sus dos posiciones:
Función de la válvula de cuatro vías
Fuente: Bloque Temático II. Principios De Máquinas; Máquina frigorífica y bomba de calor.
Maquina frigorífica ideal: Cuando no existen perdidas de calor y los procesos termodinámicos se realizan de manera ideal se puede hablar entonces de un maquina frigorífica ideal. En estas máquinas el fluido termodinámico realizaría el Ciclo de Carnot en sentido inverso, es decir, en sentido anti horario, como se muestra en la siguiente figura
56
Ciclo de Carnot para un maquina frigorífica ideal
Fuente: Bloque Temático II. Principios De Máquinas; Máquina frigorífica y bomba de calor.
Según este ciclo, el fluido realiza dos transformaciones isotérmicas y otras dos adiabáticas:
Transformación 1-2: compresión adiabática: se produce una disminución de volumen a expensas de un consumo de trabajo exterior provocando un aumento de temperatura desde la temperatura inferior a la
temperatura superior . Esta transformación se realiza sin intercambio de calor con el exterior, adiabáticamente.
Transformación 2-3: compresión isoterma: el fluido cede calor al foco caliente a temperatura constante, lo que equivale a un trabajo negativo con disminución de volumen
Transformación 3-4: expansión adiabática: el fluido disminuye su temperatura desde hasta , sin intercambio de calor con el exterior,
por lo que realiza un cierto trabajo con aumento de volumen. Idealmente este trabajo se podría utilizar para realizar la transformación 1-2, en la que se necesita consumir trabajo.
Transformación 4-1: expansión isotérmica: se completa el ciclo con una transformación a temperatura constante y con aumento de volumen. Esto requiere la realización de un trabajo positivo a partir del calor absorbido del exterior, el foco frío.
Maquina frigorífica real: Utiliza un fluido (refrigerante) para realizar un ciclo termodinámico que se basa en la evaporación y licuefacción de este fluido. Las expresiones para el cálculo del desempeño para esta máquina son las mismas que para la maquina frigorífica ideal, sin embargo los valores obtenidos deberán variar según sean los valores reales calculados o medidos para el calor cedido y el ganado en el condensador y el evaporador respectivamente. Los componentes de la instalación de una maquina frigorífica son los siguientes:
Compresor: Toma el fluido refrigerante en estado vapor y a baja presión para elevar su presión hasta que su temperatura de saturación sea superior a la temperatura ambiente que existe en el exterior de la máquina, de forma que sea posible el cambio de estado del fluido de vapor a líquido con cesión de calor. El compresor funciona accionado por un motor térmico o eléctrico.
Condensador: Se trata de un conducto en forma de serpentín para conseguir una gran superficie de contacto que facilite el rápido intercambio de calor entre el fluido del interior y el medio exterior. Este conducto se va
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llenando del vapor que proviene del compresor y va aumentando su presión hasta alcanzar la presión de vapor, momento en que se licua, cediendo calor al exterior. En un frigorífico convencional es la rejilla situada
en la parte trasera del frigorífico ( ).
Válvula de expansión: Es el dispositivo que se utiliza para regular la entrada en el evaporador del fluido refrigerante en estado líquido procedente del condensador. Mediante esta válvula se consigue que el evaporador se alimente de una forma continua. Así, se dispone en el evaporador del refrigerante necesario para conseguir que se mantenga la presión de vapor que se necesita, según la temperatura deseada, para que se produzca el paso de líquido a vapor con la correspondiente absorción de calor.
Evaporador: Es un intercambiador de calor similar al condensador. En este caso, el evaporador va recibiendo fluido en estado líquido a baja presión, procedente de la válvula de expansión. Las propiedades termodinámicas del fluido refrigerante.
Esquema de funcionamiento de una maquina frigorífica real
Fuente: Bloque Temático II. Principios De Máquinas; Máquina frigorífica y bomba de calor.
Eficiencia de la bomba de calor: La eficiencia de estos equipos cuando actúan como calefacción se mide según su COP (coefficient of performance) que representa la razón entre la cantidad de calor generado y la energía consumida del equipo:
=
−
Calor intercambiado en el evaporador
Calor expulsado en el condensador Tipos de bombas de calor: los principales tipos de bomba de calor son [4]:
- Aire-aire: recuperan el calor o frío del aire para cederlo al interior del edificio a través de una red de conductos. Es la aplicación habitual de las bombas de calor, y se destinan a calefacción y refrigeración de viviendas.
- Aire- agua: extraen el calor del aire exterior y lo transfieren al interior a través de un circuito de agua a baja temperatura.
- Agua-agua: recuperan el calor superficial del agua de ríos, lagos, etc. Y también de aguas subterráneas.
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- Agua- aire: recuperan calor de la masa de agua superficial o subterránea.
- Tierra-agua: recuperan el calor solar acumulado en el terreno como fuente de calor, lo que se consigue por medio de un circuito de agua con glicol enterrado.
MATERIALES Y EQUIPOS
Bomba de calor reversible.
1. Intercambiadores de calor. 2. Filtro secador 3. Tanque almacenador 4. Compresor 5. Capilar. 6. Manómetro de baja presión. 7. Manómetro de alta presión. 8. Tablero de control.
1
4
3
5
2
6
7
8
59
DIAGRAMA DEL SISTEMA
4
V6 V5
V3 V4
V1 V2
Condensador, evaporador
Filtro secador
Tanque almacenador
Compresor
Válvula de paso
Válvula de expansión
CICLOS ABIERTO CERRADO
1 V1 V2 V3 V4 V5 V6
2 V4 V5 V6 V1 V2 V3
2
3
1
60
Propiedades del gas refrigerante empleado en el sistema:
Nombre 1, 1, 1, 2- Tetrafluoroetano (R-134a) Peso molecular 102 g/mol Punto de ebullición -26.1°C Punto de congelación -103°C Temperatura critica 101.1°C Presión critica 40.67 bar (absoluto) Densidad critica 508 kg/m3
Diagrama Entalpia-Presión refrigerante 134ª (tomado de perry’s pag. 2-293, fig. 2-27)
61
TABLA PRESIÓN DE SATURACIÓN REFRIGERANTE R134a Temperatura Presión
K °C °F °R kPa Psi mm Hg Atm Torr
243,15 -30,00 -22,00 437,67 84,38 12,24 632,89 0,83 632,89
244,15 -29,00 -20,20 439,47 88,46 12,83 663,53 0,87 663,53
245,15 -28,00 -18,40 441,27 92,70 13,45 695,33 0,91 695,33
246,15 -27,00 -16,60 443,07 97,10 14,08 728,34 0,96 728,34
247,15 -26,00 -14,80 444,87 101,67 14,75 762,59 1,00 762,59
248,15 -25,00 -13,00 446,67 106,40 15,43 798,07 1,05 798,07
249,15 -24,00 -11,20 448,47 111,30 16,14 834,82 1,10 834,82
250,15 -23,00 -9,40 450,27 116,39 16,88 873,00 1,15 873,00
251,15 -22,00 -7,60 452,07 121,65 17,64 912,45 1,20 912,45
252,15 -21,00 -5,80 453,87 127,10 18,43 953,33 1,25 953,33
253,15 -20,00 -4,00 455,67 132,73 19,25 995,56 1,31 995,56
254,15 -19,00 -2,20 457,47 138,57 20,10 1039,36 1,37 1039,36
255,15 -18,00 -0,40 459,27 144,60 20,97 1084,59 1,43 1084,59
256,15 -17,00 1,40 461,07 150,84 21,88 1131,40 1,49 1131,39
257,15 -16,00 3,20 462,87 157,28 22,81 1179,70 1,55 1179,70
258,15 -15,00 5,00 464,67 163,94 23,78 1229,65 1,62 1229,65
259,15 -14,00 6,80 466,47 170,82 24,78 1281,26 1,69 1281,26
260,15 -13,00 8,60 468,27 177,92 25,81 1334,51 1,76 1334,51
261,15 -12,00 10,40 470,07 185,24 26,87 1389,42 1,83 1389,41
262,15 -11,00 12,20 471,87 192,80 27,96 1446,12 1,90 1446,12
263,15 -10,00 14,00 473,67 200,60 29,09 1504,63 1,98 1504,62
264,15 -9,00 15,80 475,47 208,64 30,26 1564,93 2,06 1564,93
265,15 -8,00 17,60 477,27 216,93 31,46 1627,11 2,14 1627,11
266,15 -7,00 19,40 479,07 225,48 32,70 1691,24 2,23 1691,24
267,15 -6,00 21,20 480,87 234,28 33,98 1757,25 2,31 1757,24
268,15 -5,00 23,00 482,67 243,34 35,29 1825,21 2,40 1825,20
269,15 -4,00 24,80 484,47 252,68 36,65 1895,26 2,49 1895,26
270,15 -3,00 26,60 486,27 262,28 38,04 1967,27 2,59 1967,26
271,15 -2,00 28,40 488,07 272,17 39,47 2041,45 2,69 2041,44
272,15 -1,00 30,20 489,87 282,34 40,95 2117,73 2,79 2117,72
273,15 0,00 32,00 491,67 292,80 42,47 2196,19 2,89 2196,18
274,15 1,00 33,80 493,47 303,56 44,03 2276,89 3,00 2276,89
275,15 2,00 35,60 495,27 314,62 45,63 2359,85 3,11 2359,84
276,15 3,00 37,40 497,07 325,98 47,28 2445,06 3,22 2445,05
277,15 4,00 39,20 498,87 337,66 48,97 2532,67 3,33 2532,66
278,15 5,00 41,00 500,67 349,66 50,71 2622,67 3,45 2622,67
279,15 6,00 42,80 502,47 361,98 52,50 2715,08 3,57 2715,07
280,15 7,00 44,60 504,27 374,63 54,34 2809,96 3,70 2809,96
281,15 8,00 46,40 506,07 387,61 56,22 2907,32 3,83 2907,31
282,15 9,00 48,20 507,87 400,94 58,15 3007,31 3,96 3007,30
283,15 10,00 50,00 509,67 414,61 60,13 3109,84 4,09 3109,83
284,15 11,00 51,80 511,47 428,63 62,17 3215,00 4,23 3214,99
285,15 12,00 53,60 513,27 443,01 64,25 3322,86 4,37 3322,85
286,15 13,00 55,40 515,07 457,76 66,39 3433,49 4,52 3433,48
62
287,15 14,00 57,20 516,87 472,88 68,59 3546,90 4,67 3546,89
288,15 15,00 59,00 518,67 488,37 70,83 3663,09 4,82 3663,08
289,15 16,00 60,80 520,47 504,25 73,14 3782,20 4,98 3782,19
290,15 17,00 62,60 522,27 520,52 75,50 3904,23 5,14 3904,22
291,15 18,00 64,40 524,07 537,18 77,91 4029,19 5,30 4029,18
292,15 19,00 66,20 525,87 554,24 80,39 4157,15 5,47 4157,14
293,15 20,00 68,00 527,67 571,71 82,92 4288,19 5,64 4288,18
294,15 21,00 69,80 529,47 589,59 85,51 4422,30 5,82 4422,29
295,15 22,00 71,60 531,27 607,89 88,17 4559,56 6,00 4559,55
296,15 23,00 73,40 533,07 626,62 90,88 4700,05 6,18 4700,04
297,15 24,00 75,20 534,87 645,78 93,66 4843,76 6,37 4843,75
298,15 25,00 77,00 536,67 665,38 96,51 4990,77 6,57 4990,76
299,15 26,00 78,80 538,47 685,43 99,41 5141,16 6,76 5141,15
300,15 27,00 80,60 540,27 705,92 102,39 5294,85 6,97 5294,84
301,15 28,00 82,40 542,07 726,88 105,43 5452,06 7,17 5452,05
302,15 29,00 84,20 543,87 748,30 108,53 5612,73 7,39 5612,71
303,15 30,00 86,00 545,67 770,20 111,71 5776,99 7,60 5776,98
304,15 31,00 87,80 547,47 792,57 114,95 5944,78 7,82 5944,76
305,15 32,00 89,60 549,27 815,43 118,27 6116,24 8,05 6116,23
306,15 33,00 91,40 551,07 838,78 121,65 6291,38 8,28 6291,37
307,15 34,00 93,20 552,87 862,63 125,11 6470,27 8,51 6470,26
308,15 35,00 95,00 554,67 886,98 128,65 6652,92 8,75 6652,90
309,15 36,00 96,80 556,47 911,85 132,25 6839,46 9,00 6839,44
310,15 37,00 98,60 558,27 937,24 135,94 7029,90 9,25 7029,88
311,15 38,00 100,40 560,07 963,15 139,69 7224,24 9,51 7224,22
312,15 39,00 102,20 561,87 989,60 143,53 7422,63 9,77 7422,61
313,15 40,00 104,00 563,67 1016,60 147,45 7625,15 10,03 7625,13
314,15 41,00 105,80 565,47 1044,10 151,43 7831,42 10,30 7831,39
315,15 42,00 107,60 567,27 1072,20 155,51 8042,18 10,58 8042,16
316,15 43,00 109,40 569,07 1100,90 159,67 8257,45 10,87 8257,43
317,15 44,00 111,20 570,87 1130,10 163,91 8476,47 11,15 8476,45
318,15 45,00 113,00 572,67 1159,90 168,23 8699,99 11,45 8699,97
319,15 46,00 114,80 574,47 1190,30 172,64 8928,01 11,75 8927,98
320,15 47,00 116,60 576,27 1221,30 177,13 9160,53 12,05 9160,50
321,15 48,00 118,40 578,07 1252,90 181,72 9397,55 12,37 9397,52
322,15 49,00 120,20 579,87 1285,10 186,39 9639,07 12,68 9639,04
323,15 50,00 122,00 581,67 1317,90 191,15 9885,09 13,01 9885,06
324,15 51,00 123,80 583,47 1351,30 195,99 10135,61 13,34 10135,58
325,15 52,00 125,60 585,27 1385,40 200,94 10391,38 13,67 10391,35
326,15 53,00 127,40 587,07 1420,10 205,97 10651,66 14,02 10651,63
327,15 54,00 129,20 588,87 1455,50 211,10 10917,18 14,36 10917,15
328,15 55,00 131,00 590,67 1491,50 216,32 11187,20 14,72 11187,17
329,15 56,00 132,80 592,47 1528,20 221,65 11462,47 15,08 11462,44
330,15 57,00 134,60 594,27 1565,60 227,07 11743,00 15,45 11742,97
331,15 58,00 136,40 596,07 1603,60 232,58 12028,02 15,83 12027,99
332,15 59,00 138,20 597,87 1642,30 238,20 12318,30 16,21 12318,26
333,15 60,00 140,00 599,67 1681,80 243,92 12614,57 16,60 12614,54
63
334,15 61,00 141,80 601,47 1721,90 249,74 12915,35 16,99 12915,31
335,15 62,00 143,60 603,27 1762,80 255,67 13222,12 17,40 13222,09
336,15 63,00 145,40 605,07 1804,40 261,71 13534,15 17,81 13534,11
337,15 64,00 147,20 606,87 1846,70 267,84 13851,43 18,23 13851,39
338,15 65,00 149,00 608,67 1889,80 274,09 14174,70 18,65 14174,67
339,15 66,00 150,80 610,47 1933,70 280,46 14503,98 19,08 14503,94
340,15 67,00 152,60 612,27 1978,30 286,93 14838,51 19,52 14838,47
341,15 68,00 154,40 614,07 2023,70 293,51 15179,04 19,97 15179,00
342,15 69,00 156,20 615,87 2069,80 300,20 15524,82 20,43 15524,78
343,15 70,00 158,00 617,67 2116,80 307,02 15877,35 20,89 15877,31
344,15 71,00 159,80 619,47 2164,60 313,95 16235,88 21,36 16235,84
345,15 72,00 161,60 621,27 2213,20 321,00 16600,41 21,84 16600,37
346,15 73,00 163,40 623,07 2262,70 328,18 16971,69 22,33 16971,65
347,15 74,00 165,20 624,87 2313,00 335,47 17348,97 22,83 17348,93
348,15 75,00 167,00 626,67 2364,10 342,88 17732,26 23,33 17732,21
349,15 76,00 168,80 628,47 2416,10 350,43 18122,29 23,85 18122,24
350,15 77,00 170,60 630,27 2469,00 358,10 18519,07 24,37 18519,02
351,15 78,00 172,40 632,07 2522,80 365,90 18922,61 24,90 18922,56
352,15 79,00 174,20 633,87 2577,60 373,85 19333,64 25,44 19333,59
353,15 80,00 176,00 635,67 2633,20 381,91 19750,68 25,99 19750,62
354,15 81,00 177,80 637,47 2689,80 390,12 20175,21 26,55 20175,16
355,15 82,00 179,60 639,27 2747,30 398,46 20606,50 27,11 20606,44
356,15 83,00 181,40 641,07 2805,80 406,95 21045,29 27,69 21045,23
357,15 84,00 183,20 642,87 2865,30 415,58 21491,58 28,28 21491,52
358,15 85,00 185,00 644,67 2925,80 424,35 21945,37 28,88 21945,30
359,15 86,00 186,80 646,47 2987,40 433,29 22407,40 29,48 22407,34
360,15 87,00 188,60 648,27 3049,90 442,35 22876,19 30,10 22876,13
361,15 88,00 190,40 650,07 3113,60 451,59 23353,99 30,73 23353,92
362,15 89,00 192,20 651,87 3178,30 460,97 23839,28 31,37 23839,21
363,15 90,00 194,00 653,67 3244,20 470,53 24333,57 32,02 24333,50
364,15 91,00 195,80 655,47 3311,20 480,25 24836,11 32,68 24836,04
365,15 92,00 197,60 657,27 3379,30 490,13 25346,90 33,35 25346,83
366,15 93,00 199,40 659,07 3448,70 500,19 25867,45 34,04 25867,38
367,15 94,00 201,20 660,87 3519,30 510,43 26396,99 34,73 26396,92
368,15 95,00 203,00 662,67 3591,20 520,86 26936,29 35,44 26936,22
369,15 96,00 204,80 664,47 3664,50 531,49 27486,09 36,17 27486,01
370,15 97,00 206,60 666,27 3739,10 542,31 28045,63 36,90 28045,56
371,15 98,00 208,40 668,07 3815,20 553,35 28616,43 37,65 28616,35
372,15 99,00 210,20 669,87 3892,90 564,62 29199,23 38,42 29199,15
373,15 100,00 212,00 671,67 3972,40 576,15 29795,53 39,20 29795,45
64
PROCEDIMIENTO
Primer Ciclo:
1. Ubique correctamente la posición de las válvulas (1,2,3 abiertas, 4,5,6 cerradas) tal como se indica en el diagrama del sistema, para realizarlo. Verifiquen que estén correctas cada una de ellas.
2. Verifique que el indicador de energizado del tablero de control este
encendido, Encienda la unidad de compresión mediante el interruptor del tablero de control, para hacer circular el refrigerante y poner en marcha el ciclo termodinámico.
3. Luego de aproximadamente unos 5 minutos, encienda los ventiladores
ubicados en cada intercambiador de calor por independiente para apreciar y sentir el efecto de transferencia de calor en cada foco (caliente y frío).
4. Espere hasta que se estabilice (este en equilibrio) la máquina, que será
al momento en que las presiones registradas en los manómetros de alta y baja presión presenten fluctuaciones imperceptibles.
5. Con el medidor láser de temperatura, mida las temperaturas superficiales de cada intercambiador (condensador y evaporador), y registre los datos obtenidos.
Segundo Ciclo:
1. Apague todos los interruptores del tablero de control (unidad de compresión y ventiladores).
2. Esperar hasta que las presiones en ambos manómetros sean muy similares y presenten cambios imperceptibles.
3. Ubique correctamente la posición de las válvulas (4,5,6 abiertas, 1,2,3 cerradas) tal como se indica en el diagrama del sistema, para realizarlo. Verifiquen que estén correctas cada una de ellas.
4. Palpe la unidad de compresión si aún está muy caliente, deje reposar durante unos minutos ya que si está muy caliente esta no encenderá.
5. Encienda la unidad de compresión mediante el interruptor del tablero de control, poniendo cuidado a los indicadores de presión (manómetros), si estos indicadores no se mueven al encender la unidad de compresión, apáguela, déjela reposar por unos minutos y vuelva a repetir este procedimiento.
6. Repitas los pasos 3,4 y 5 del primer ciclo.
CALCULOS EXPERIMENTALES
65
Para calcular los calores y coeficientes de transferencia de calor por convección externos en cada intercambiador de calor (condensador y evaporador), tome en cuenta las siguientes consideraciones:
El sistema está en equilibrio. Se encuentra trabajando a condiciones normales de presión y
temperatura ambiente (1 atm y 30 ℃) para horas durante el día. Hay transferencia de calor por convección forzada. Las velocidades de flujo de aire en ambos ventiladores es la misma,
respectivamente. En cada intercambiador, el serpentín es un tubo cilíndrico largo.
A continuación se presentan las ecuaciones a emplear para determinar la razón de transferencia de calor por convección forzada tanto en el condensador como en el evaporador:
Temperatura de película del fluido( ):
= +
[=] [℃] {
= = =
Número de Reynolds :
=
{
=
=
⁄
= ⁄
Número de Nusselt i:
=
{
=
[ ⁄ ]
=
=
[ ⁄ ]
Transferencia de calor por convección según la ley de enfriamiento de Newton
( ):
= −
{
=
[ ⁄ ]
= = =
66
HOJA DE DATOS RECOLECTADOS
Propiedades Valor
Temperatura superficial del evaporador
Temperatura superficial del condensador
Temperatura de película
Número de Reynolds
Número de Nusselt
Área superficial del cilindro
Coeficiente de transferencia de calor por convección
Calor transferido por convección
Eficiencia de la bomba
SECCIÓN DE PREGUNTAS:
1) ¿Cómo funciona la bomba de calor reversible? 2) El valor obtenido del COP a qué hace referencia. 3) ¿En qué consiste el ciclo de Carnot? 4) ¿Cómo se puede aplicar la segunda ley de la termodinámica en estos
sistemas?
67
7. TORRE DE PAREDES HÚMEDAS
OBJETIVOS
Objetivo General
Calcular el coeficiente global de transferencia de masa de un sistema aire-agua
en función de la concentración y presiones parciales.
Objetivos Específicos
● Comprender fenomenológicamente los procesos de transferencia de
masa que se llevan a cabo en la torre de pared húmeda.
● Determinar una correlación que prediga el número de sherwood.
● Analizar el comportamiento del coeficiente de transferencia de masa
para varios caudales de aire.
INTRODUCCIÓN
Uno de los enfoques del programa de ingeniería química de la Universidad de
Cartagena, es el de promover el entendimiento práctico e impulsar las
experiencias de laboratorio, de tal forma que se fortalezca la formación del
ingeniero químico en todos los ámbitos. Por lo tanto, es notoria la gran
importancia de experimentar con equipos en el área de transferencia de masa
con el fin de afianzar los conocimientos aprendidos.
Los estudios en el área de transferencia de masa involucran muchos elementos
y parámetros interrelacionados entre sí. Tal es el caso de la determinación de
coeficientes de transferencia de masa, donde se han realizado amplios
estudios en torres de pared húmeda. Gilliland, Sherwood y Woerstz, Chilton y
Colburn entre otros, han presentado trabajos rigurosos en los cuales han
obtenido resultados interesantes que han podido ser correlacionados.
La torre de pared húmeda fue uno de los primeros dispositivos de laboratorio
utilizados para el estudio experimental de los procesos de reacción gas-líquido,
gracias a la ventaja de poder suponer un área interfacial de contacto. En este
dispositivo, una película líquida descendente fluye por la pared del tubo,
68
mientras que el flujo gaseoso puede efectuarse en contracorriente o
equicorriente, teniendo en cuenta las características propias del proceso. El
funcionamiento en contracorriente es el más utilizado por ser considerado el
más óptimo, pero tiene como desventajas provocar turbulencias (que generan
ruptura de la película), arrastres e inundación en la columna. La circulación del
gas en equicorriente se hace aconsejable en el caso específico de las torres de
pared húmeda con reacción en las que aumenta la viscosidad del líquido a
medida que aumenta la conversión.
Utilizando como líquido el agua y como gas el aire, se puede medir la
transferencia de agua desde la fase líquida a la fase gaseosa, una vez
efectuado el paso del vapor de agua al aire.
En base a lo anterior, es posible detallar los requisitos necesarios para alcanzar
los objetivos que se muestran en la siguiente sección.
MARCO TEÓRICO
Fundamentos de Transferencia de Masa
La transferencia de masa es la tendencia de uno o más componentes de una
mezcla a transportarse desde una zona de alta concentración a otra zona
donde la concentración es menor. La diferencia de concentración es la que
constituye la fuerza impulsora (o motriz) de la transferencia de masa.
La velocidad con que se produce la transferencia de masa está vinculada al
mecanismo de transporte de las sustancias entre las fases, entre las cuales
tiene lugar el intercambio de masa. La transferencia dentro de la fase puede
originarse mediante difusión molecular o por medio de la convección y la
difusión molecular simultáneamente.
En un medio inmóvil la sustancia se desplaza solo por difusión molecular.
Cuando el medio es móvil, el transporte se producirá tanto por difusión
molecular, como por el propio medio en la dirección de su movimiento, o por
partículas individuales del mismo que se mueven en diversas direcciones.
El mecanismo de transporte de la fase hacia la interfase mediante la difusión
molecular y turbulenta resulta un proceso complicado, por lo cual existen
dificultades para el análisis teórico y el cálculo del transporte de masa. Con el
objetivo de facilitar la explicación del fenómeno se asumen dos fases,
69
separadas por la interfase, que se moverán a velocidades globales diferentes,
que es aplicable a la transferencia de masa entre líquido y gas, o entre dos
líquidos que no se mezclan (inmiscibles).
Determinación del Coeficiente de Transferencia de Masa
En los cálculos típicos que se realizan en el estudio de la transferencia de
masa se suele definir un parámetro que agrupa todos los efectos convectivos y
de difusión molecular. Este es el coeficiente de transferencia de masa.
Cualquiera que sea el mecanismo de transporte, la transferencia de la masa
depende de la existencia de un distanciamiento al equilibrio, lo cual provoca
que exista una "fuerza impulsora”, que impulsa al equilibrio [2]. (veaseEc. 1)
= /
Para determinar el coeficiente de transferencia de masa, kG, se hace uso de la
ley de Fick en función de la diferencia de presiones parciales en la parte alta y
baja de la torre.
=
−
Donde NA es el flux del componente A (agua), y PA1 y PA2 las presiones
parciales en la entrada (parte alta) y salida (parte baja) de la torre.
Para conocer las presiones parciales correspondientes al agua, se debe tener
en cuenta la relación entre la presión parcial del componente y la fracción molar
de este, suponiendo que la mezcla aire-agua cumple la ley de Raoult.
=
Para conocer la fracción molar de agua presente en la mezcla de aire y agua,
se toma la lectura ofrecida por el termohigrómetro, de temperatura de bulbo
seco y humedad relativa. Luego a través de la carta psicométrica se determina
la humedad absoluta “Y”.
=
+
70
Luego, el flux puede calcularse también teniendo en cuenta la siguiente
relación:
=
−
Donde está en función de la diferencia de humedades absolutas, la
velocidad de flujo másico del aire “G” y el área “A” de transferencia. Donde
conocemos el flujo másico de aire, al regular el flujo volumétrico de aire y se
puede determinar el volumen específico del aire húmedo respecto a la masa de
aire seco (constante):
=
= (
+
)
Para determinar el área de transferencia de masa, se utiliza
una relación geométrica simple, para el área de la superficie
interna de un cilindro, teniendo en cuenta el espesor de la capa
de agua que escurre por las paredes.
= −
Donde el diámetro interno “di” y la altura “h” del tubo se conocen, y se puede
determinar el espesor de la capa de la película de agua:
= (
)
⁄
Siendo “g” la gravedad, y “Qw”, “µw” y “ρw” el caudal, la viscosidad y la densidad
del agua.
Por otro lado, se puede determinar los números de Sherwood, Schmidt y
Reynolds.
Sherwood
=
h δ
di
71
Donde kY es el coeficiente de transferencia de masa en función de la diferencia
de composiciones, di el diámetro interno del tubo, R la constante de los gases,
T la temperatura de operación, Daw la difusividad de agua en aire, P la presión y
M el peso molecular.
El coeficiente de transferencia ky se puede determinar a partir del flux, las
composiciones de agua en la interfase y en el aire a la entrada y salida de la
torre.
=
−
− − − −
Así como la difusividad molecular se puede calcular a través de la siguiente
ecuación:
= *
+ +
Schmidt
=
Reynolds
=
Dependiendo estos de la viscosidad cinemática, cociente entre la viscosidad
dinámica y la densidad. Reynolds depende de la velocidad lineal:
=
Donde AT es el área de corte transversal de la película:
= ( − − )
Número de Sherwood
72
Es un número adimensional utilizado en transferencia de masa. Representa el
cociente entre la transferencia de masa por convección y difusión. Se llama así
en honor a Thomas Kilgore Sherwood. Refleja la facilidad con la cual se
presentan los fenómenos de transferencia de masa a determinadas
condiciones hidrodinámicas del fluido y de la interfase metal-emulsión.
Se define como:
=
Número de Schmidt
Es un número adimensional definido como el cociente entre la difusión de
cantidad de movimiento y la difusión de masa, y se utiliza para caracterizar
flujos en los que hay procesos convectivos de cantidad de movimiento y masa.
Se llama así en honor a Ernst Schmidt.
El número de Schmidt relaciona los grosores de las capas límite de cantidad de
movimiento y de masa. Se define como:
=
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Diagrama del equipo.
Materiales requeridos
● 2 Termómetros.
73
● 1 Cronómetro.
● 1 probeta de 100 mL
Sustancias o corrientes de proceso
● Agua
● Aire comprimido
PROCEDIMIENTO
1. Llene el tanque de almacenamiento con agua
2. Asegúrese que la válvula de purga de la línea de vapor, ubicada en la
parte inferior de la torre, se encuentre completamente abierta.
3. Abra totalmente la válvula de descarga del tanque de almacenamiento.
4. Verifique que la válvula de recirculación al tanque de almacenamiento,
localizado después de la unión T, se encuentre totalmente abierta.
5. Compruebe que la válvula de compuerta para alimentación de agua a la
torre se encuentre mínimamente abierta.
6. Encienda la bomba y luego gradué la válvula de recirculación,
aproximadamente ¼ abierta, hasta garantizar una película laminar de
líquido descendente.
7. Cierre la válvula de la línea de la purga de vapor, cuando la película de
líquido sea claramente visible y no salga flujo de agua por esta purga.
8. Mida el caudal de agua empleado por medio del agua proveniente de la
corriente del reflujo. Para esto, ubique la probeta justo en la zona de
descarga de la recirculación, midiendo con el cronómetro el tiempo que
demora en llenar.
9. Alimente aire comprimido a una presión suficiente para que luego pueda
ser regulada con el rotámetro, teniendo en cuenta que éste trabaja de 5
a 50 FCSH (Pies cúbicos estándar por hora).
10. Escoja un flujo de aire y deje operar la torre durante 5 minutos para que
se estabilice y después mida las temperaturas de entrada y salida del
agua, midiendo con el termómetro en las entradas al tanque de la
división de flujo y de la recirculación respectivamente (en el tanque) y las
temperaturas de bulbo seco y húmedo del aire a la entrada y la
temperatura de bulbo seco y la humedad relativa del aire a la salida.
74
11. Variar el caudal de aire que circula por el rotámetro y hacer las
respectivas lecturas de las condiciones del aire de salida, alrededor de 7
veces.
12. Cierre la válvula de suministro de aire.
13. Abra la válvula de línea de purga de vapor.
14. Apague y desconecte la bomba.
15. Regrese el agua de la línea al tanque de almacenamiento de agua.
16. Cierre la válvula de suministro de agua de la torre.
17. Introducir las variables de entrada y salida en el programa “Modulo
Tutorial”.
18. Verificar manualmente los resultados obtenidos
Nota: Si se lleva a cabo una sola corrida, el programa arroja Flux, KG, KY, Re,
Sc y Sh (Modulo Resultados Generales)
Para la correlación del número de Sherwood en función del número de
Reynolds realice diferentes corridas variando el flujos de aire e ingrese los
datos en el programa “Modulo tutorial” (Modulo Correlación de Sherwood).
VARIABLES DE ENTRADA:
● Temperatura de Bulbo Seco del Aire Entrante.
● Temperatura de Bulbo Húmedo del Aire Entrante.
● Caudal del Aire Entrante.
● Caudal de agua entrante.
● Temperatura de Bulbo Seco del Aire que Sale.
● Humedad Relativa del Aire que Sale.
● Temperatura del Agua que Entra.
● Temperatura del Agua que Sale.
RECOMENDACIONES DE SEGURIDAD
1. Si se observa que existe un aumento del flujo inesperado del agua, se
recomienda abrir la válvula de seguridad con el fin de reducir el caudal y así
evitar la inundación de la torre.
2. La película de agua no se formará por mucho tiempo. Al observarse la
ruptura de ésta, debe cerrarse inmediatamente la válvula de suministro de aire
75
y abrir la válvula de la línea de purga de vapor con el fin de dejar salir el agua
que pueda caer dentro del tubo, evitando que ésta ingrese en el compresor y
rotámetro, y los dañe.
DATOS EXPERIMENTALES
CORRIDAS Flujo
[SCFH]
Entrada Salida
T bulbo
seco [°C]
T bulbo
húmedo
[°C]
T [° C]
Humeda
d relativa
T bulbo
seco [°C]
T [° C]
1
2
3
4
5
6
CUESTIONARIO
1. ¿En cuánto tiempo alcanza la columna una operación estable?
2. ¿Cuál es el área de transferencia?
3. Calcule el flujo de agua evaporada y transferida al aire a través de la
columna en Kg de agua / h.
4. Calcule el flux de transferencia de masa NA
5. ¿Cuál es la fuerza impulsora que favorece la transferencia de masa?
6. A las condiciones de operación establecidas y para caudal de aire, ¿Qué
valor tiene el coeficiente de transferencia de masa kG?
7. ¿Cuál es el valor de espesor de la película interfacial?
76
INFORMACIÓN ADICIONAL:
CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO
El equipo está constituido por tres zonas principales:
1. Zona de calma superior: La zona de calma superior es un cilindro, que recibe el líquido que va a ingresar a la columna. Está diseñada con el objetivo de que éste pierda turbulencia y mediante un sistema de rebose pueda deslizarse por las paredes de la columna formando la película.
Zona de calma superior.
1. Zona de calma inferior La sección de calma inferior consta de un embudo acoplado a un cilindro con un tubo de en su interior por donde ingresa el aire. En esta zona se recoge el líquido que se ha desplazado por la columna. Ésta, a su vez, impide el escape del aire suministrado en la sección libre de tubo. La forma de embudo garantiza que el líquido no descienda por gravedad hacia el tubo del aire, sino que se deslice en la pared interna del cilindro, ya que de lo contrario se desconocería el área de contacto entre las fases, la cual es vital en la determinación del coeficiente de transferencia de masa.
Zona de calma inferior.
1. Zona de contacto líquido/gas
77
Como su nombre lo indica, en esta zona ambos fluidos entran en contacto. El agua y el aire, que son nuestros fluidos de proceso, son alimentados en contracorriente. Mientras el líquido fluye laminarmente por las paredes de la tubería cilíndrica, cayendo desde la parte superior, el aire realiza su recorrido por el centro de la misma.
Zona de contacto, Liquido-Gas.
OTROS EQUIPOS Y ACCESORIOS
Sistema de Bombeo: 1. Compresor 2. Bomba 3. Tanque de almacenamiento 4. Válvula de salida del tanque 5. Válvula de purga de línea de vapor 6. Válvula de compuerta 7. Válvula de descarga 8. Válvula de división de flujo 9. Recirculación de agua al tanque 10. Manguera de desagüe del tanque
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS FUNDAMENTOS DE OPERACIÓN: Un flujo de agua pasa por la columna de pared húmeda en donde se distribuye de manera uniforme sobre la superficie interna. Por medio de un compresor se hace pasar un flujo de aire en operación contracorriente, de modo que el contacto entre las dos fases permita la humidificación del aire, esta humedad contenida puede ser determinada al final de la torre por medio de un termohigrómetro.
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EQUIPO ESPECIFICACIONES
Torre de paredes mojadas
Servicio: Humidificación de aire. Diámetro interno: 2.5 cm
Longitud: 150 cm Material: Acrílico
Tanque de almacenamiento
Servicio: Almacenamiento de agua. Capacidad 15 L Diámetro: 40 cm Longitud: 60 cm
Material: Polipropileno
Bomba Servicio: Alimentación de agua a la columna
Potencia: 0.5 hp
Compresor
Servicio: alimentación del aire a la columna Potencia: 1.5 hp
Almacenamiento: 6 L Presión máx.: 115 psi
Rotámetro Intervalo: 5 A 50 SCFH
Temperatura Intervalo: -100°C a +200°C
Precisión: ±0,3°C Resolución: 0,1
Tabla. 1. Especificaciones de los equipos.
SERVICIOS REQUERIDOS
1. Alimentación eléctrica 120 volts, 60 Hz, monofásica. 2. Agua potable.
ESPECIFICACIONES DEL PROCESO
Antes de poner en marcha el equipo:
1. verificar que el tanque de almacenamiento contenga la cantidad suficiente de agua, sin que el nivel de la misma supere el orificio de recirculación.
2. Verificar que la válvula de salida del tanque se encuentre abierta, esto es, de manera paralela a la tubería
3. Verifique la apertura de la válvula de división de flujo. 4. Evitar encender el compresor hasta que se forme la película 5. Verificar que la válvula de purga de línea de vapor está abierta.
79
Encendido del equipo:
1. Encender la bomba. 2. Verificar y controlar por medio de la válvula de compuerta la formación
de la película. 3. Verificar que el termohigrómetro se encuentra encendido y en el lugar
que le corresponde, esto es, en la zona de calma superior. 4. Verificar que se encuentren los 2 termómetros, y que uno de ellos sea
capaz de medir la temperatura de bulbo húmedo. 5. Cuando ya se haya formado la película, es necesario cerrar la válvula de
purga de línea de vapor. 6. Encender el compresor con el botón de arranque correspondiente. 7. Ajustar la presión 8. Cuando la carga del compresor llega a la presión de ajuste
automáticamente deja de cargar pues ya está ajustado el presostato, sin embargo aunque pare, el botón de arranque en el gabinete de control quedará encendido. Cuando la carga del compresor baje automáticamente comenzará a cargarse.
Paro del equipo:
1. Es necesario apagar el compresor, en el tablero de control 2. Abrir la válvula de purga de vapor. 3. Desconectar la bomba 4. Cerrar las válvulas de succión, de división de flujo.
Descarga:
1. Verifique que la manguera se encuentra conectada a la salida del tanque y que llega hasta el lugar de desagüe
2. Se debe mantener abierta la válvula de descarga hasta que haya salido toda el agua contenida en el tanque.
LIMPIEZA Y MANTENIMIENTO DE LA TORRE
1. Desenroscar las uniones universales para desligar la torre al tanque y a
la bomba.
2. Colocar la torre en el suelo con mucho cuidado, para luego con ayuda
de una panola limpiar la zona de calma superior.
3. Ubicar nuevamente la torre en su lugar, cuidando que los empaques se
encuentren correctamente colocados, ya que de lo contrario se
presentarán fugas.
LIMPIEZA Y MANTENIMIENTO DEL TANQUE
1. Es recomendable descargar el agua del tanque, cada 3 días o cuando
se requiera.
2. Verificar constantemente que el tanque esté limpio y sin solidos
suspendidos.
80
LIMPIEZA Y MANTENIMIENTO DEL COMPRESOR
1. Luego de 4 horas de uso es recomendable por medio de la válvula de
seguridad retirar el aire retenido en la cámara
2. Incline un poco el compresor para retirar agua que pudo condensarse
dentro del tanque de almacenamiento.
3. Componentes Productos a utilizar Periodo de tiempo
Estructura Trapo húmedo (Agua) Mensual
Bomba Trapo húmedo (Agua) Mensual
Tanque de alimentación Trapo húmedo (Agua) Mensual
Tubería de PVC Externamente Trapo húmedo
(Agua)
Mensual
Acrílico Externamente Trapo húmedo
(Agua)
Mensual
Tabla. 2. Mantenimiento.
81
8. SECADO POR ATOMIZACIÓN
OBJETIVOS GENERALES
Conocer el funcionamiento de un equipo para secado por atomización realizando pruebas experimentales.
OBJETIVOS ESPECÍFICO
Identificar los componentes de un equipo para secado por atomización.
Evaluar el efecto de variables de proceso: como temperatura, flujo de alimentación, sobre el producto final.
Determinar la eficiencia térmica del sistema.
FUNDAMENTO TEORICO
En los procesos del secado por atomización, el material de alimentación que es
líquido o tiene alguna fluidez es esparcido en gotas muy pequeñas dentro de
una gran cámara, en la cual se introduce aire caliente (u otro gas). El líquido es
rápidamente evaporado dejando partículas sólidas que deben ser separadas
del aire.
Este consta de las siguientes partes básicas:
A. Cámara de secado. B. Alguna forma de atomizar el material de alimentación dentro de la
cámara de secado. C. Alguna forma de introducir aire caliente dentro de la cámara de secado. D. Alguna forma de sacar aire de la cámara de secado en algún punto
alejado de la zona de alimentación y de la zona de la entrada de aire caliente.
E. Alguna forma de separar el producto del aire de salida.
En un principio, el alimento fluido es transformado en gotas, que se secan por
atomización en un medio continuo de aire caliente. El modo más común
utilizado en estos tipos de secado es un ciclo abierto, donde el aire de secado
es calentado utilizando un calentador por resistencias eléctricas. En este tipo
de operación el aire que abandona el sistema todavía puede contener calor por
lo que se recomienda utilizar sistemas de recirculación para disminuir los
costos de operación de estos equipos. La figura 1 muestra el esquema usado
en estos equipos.
Otro tipo es la utilización de un circuito cerrado con un medio de calefacción
(aire, CO2, etc.). El aire se utiliza en el proceso de secado, después se limpia,
82
se seca y se reutiliza de nuevo en un proceso continuo. La eficiencia de este
tipo de secado es superior a la de los sistemas abiertos. En los sistemas de
circuito cerrado únicamente sale del sistema el producto seco, mientras que en
los de circuito abierto también se lanza al exterior aire caliente, que en algunos
ocasiones puede contener micro partículas.
Figura 1 Esquema ilustrativo de un secador por aspersión en sistemas abierto.
Este tipo de secado incluye la atomización del alimento en un medio de secado
en el que se elimina la humedad por evaporación. Este secado se controla por
las condiciones de flujo y temperatura, tanto de la alimentación como del aire
de entrada.
TABLA 1. EFECTO DE VARIABLES SOBRE EL PROCESO. FUENTE: BARBOSA-
CÁNOVAS, Y VEGA - MERCADO
Variable Efecto
Capacidad del inyector:
Velocidad de alimentación por debajo de la
diseñada
Atomización incompleta
Velocidad de alimentación bajo mínimos Decrece el tamaño de la partícula
Velocidad alimentación especificada Aumenta tamaño de las gotas
Angulo de rociado grande: Gotas pequeñas
Aumento de presión Decrece el tamaño de las gotas
Viscosidad
83
Aumento Atomización gruesa
Muy alta Operación imposible
Tensión superficial alta Dificulta la atomización
Tamaño de orificio Tamaño de gota=
=
=
Los tipos de secadores, la distancia que recorre una gota hasta que se ve
afectada por completo por el aire depende del tamaño, forma y densidad de la
misma. Los atomizadores ordinarios son más independientes del flujo de aire,
mientras que en los atomizadores finos debe considerarse el flujo de aire. El
movimiento de la atomización se puede clasificar de acuerdo al diseño del
secadero como co-corriente (corriente paralela), contracorriente o flujo mixto o
mezclado (Ver figura 2).
Figura 2. Clasificación de secadores por medio corriente de la atomización
Aplicaciones del “Spray Dryer” o secado por atomización:
El secado por atomización puede ser utilizado para alimentos y/o pro ductos
orgánicos disueltos en agua.
• Alimenticias: cereales y extractos de plantas, productos lácteos en general, cafés, levaduras, hidrolizados de proteínas, subproductos de frigoríficos, huevos, frutas y extractos de frutas.
84
• Farmacéuticas: Antibióticos y derivados, vacunas, vitaminas, fármacos en general.
• Cerámica: Arcillas para aplicaciones diversas y especiales • Química Orgánica: Ácidos, sales orgánicas, compuestos
nitrogenados, plásticos, resinas, catalizadores y colorantes, fertilizantes, pesticidas, insecticidas, detergentes en general, taninos naturales y sintéticos etc.
• Química Inorgánica: Compuestos de aluminio, bario, boro, cromo, azufre, flúor, yodo, magnesio, hidróxido y óxidos en general.
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
MATERIALES Y EQUIPO:
Secador Spray o Cámara de secado. o Ciclón de separación o Atomizador tipo aire: Boquilla de doble fluido. o Blowers o Sistema de soplador de aire: Succión y descarga. o Receptores de producto seco
Leche en polvo.
Termómetros
Balanza electrónica
Agitador mecánico
Hidrómetro
PROCEDIMIENTO
ARRANQUE DE EQUIPO
Antes de comenzar la práctica se debe revisar el manual del equipo el cual
puede ser solicitado al auxiliar de laboratorios así como su asistencia en el
funcionamiento.
Es importante verificar que todos los acoples estén en sus respectivos sitios.
Para el proceso de arranque dejar que la temperatura de entrada de aire
alcance los 100°C luego de esto, agregar agua a través del atomizador.
Se conecta el sistema de alimentación al atomizador, y se comienza a
alimentar agua en pequeñas cantidades, lo cual hará que la temperatura deje
de aumentar gradualmente. Se regula la cantidad de agua alimentada hasta
llegar a la temperatura deseada para el proceso de secado. Para evitar la
formación de incrustaciones, se sugiere usar agua destilada para este proceso
de arranque.
OPERACIÓN DE LA PLANTA
85
Cuando las temperaturas, tanto del aire de entrada como de salida, se han
mantenido constantes en los niveles deseados durante algún tiempo, se retira
el agua destilada del tanque de alimentación. Se llena con el líquido que se
desea secar. Se debe regular nuevamente la cantidad de líquido alimentado
para que la temperatura del aire de salida se mantenga en el valor deseado.
PREPARACIÓN DE LA ALIMENTACIÓN
Tomar 200mL de agua destilada y agregar una cantidad definida de leche en
polvo en un Beaker de 500 mL. Dejar agitando durante 5 a 10 min y luego
agregar en el tanque de almacenamiento de la boquilla de aspersión
ACONDICIONAMIENTO DE AIRE CALIENTE
Se realizará una prueba experimental por cada resistencia. Para cada rata
medir la temperatura de entrada y salida del aire. Con ayuda de un hidrómetro
medir la humedad del aire caliente.
PARADA DE LA PLANTA
Cuando todo el líquido a ser evaporado ha pasado por el circuito de
alimentación, se debe llevar una cantidad de agua destilada hasta el
atomizador para limpiar el tubo de alimentación y atomizador, para evitar que
la planta se recaliente durante su apagado. A continuación, se apagan los
elementos de calefacción, y se reduce el suministro de agua gradualmente
para mantener la temperatura del aire de salida a los niveles que se utilizaron
durante su uso. Cuando la temperatura del aire de alimentación haya caído
hasta unos 110°C, se corta el suministro de agua completamente. Se apaga la
planta llevando apangando el sistema.
ENSAYO EXPERIMENTAL
Agregar toda la leche en la cámara de secado, 5 minutos después de agotarse
la leche, apagar el equipo y tomar el peso de producto seco.
86
IMAGEN 1. EQUIPO DE SECADO POR ATOMIZACIÓN
INFORMACIÓN EXPERIMENTAL SUGERIDA
T1 Temperatura entrada de
aire
160ºC 320 ºF
T2 Temperatura salida de
aire
45ºC 113 ºF
To : Temperatura del ambiente 27ºC 80.6 ºF
Xs : fracción de sólidos en la carga 0.25
Xh : fracción de agua en sólidos de salida 0
CAIRE T1
:
capacidad calorífica del aire a T1 0.2432 BTU/Lb-ºF
CAIRE T2
:
capacidad calorífica del aire a T2 0.2406 BTU/Lb-ºF
CAGUA
T1:
capacidad calorífica del agua a T1 (vapor) 0.4735 BTU/Lb-ºF
CAGUA
T2:
capacidad calorífica del agua a T2 (vapor) 0.5550 BTU/Lb-ºF
l VAP Tr entalpía de vaporización a
Tr
(2442 KJ/Kg) 1050 BTU/Lb
C*AGUA capacidad calorífica del agua (liquida) 1 BTU/Lb-ºF
Cs capacidad calorífica de los sólidos de la
leche
0.85 BTU/Lb-ºF
Tr : temperatura de referencia 20ºC 68 ºF
Trocío : temperatura de rocío 14 ºC 57.2 ºF
r l : densidad de la leche 1.06 gr/cc
87
r a : densidad del agua 1 gr/cc
s : tensión superficial del
agua
(20 ºC) 72.75 dinas/cm
V : volumen tratado 11000 ml
t : tiempo de operación 2529 s
m
agua:
viscosidad del agua 1 cp
W tss Peso total de solido seco 66.5 gr
TRATAMIENTO DE DATOS
1. DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE ENTRADA DE LA LECHE Y DEL SOLIDO
OBTENIDO:
Flujo de entrada de la leche =
Flujo de salida del sólido =
−
2. Cálculo de las eficiencias del proceso Eficiencia Formula
Eficiencia térmica global (Egb) =
−
−
Eficiencia térmica ideal (Eid) =
− −
Eficiencia térmica evaporativa (Eev) =
− −
Eficiencia de secado =
3. FLUJO DE ALIMENTACIÓN Tomar 10 mL de agua destilada y con ayuda de un cronometro medir cuanto
tiempo tarda en vaciarse el recipiente.
=
Realizar el ensayo tanto con agua como con alimento.
88
4. Tiempo de residencia en la cámara de secado Se tiene que el tiempo mínimo de residencia de las gotas en la
cámara de secado está dado por
=
Resultados
Datos obtenidos:
El tiempo de aspersión para 10 mL de muestra fue de 28,57 segundos, por lo
que:
=
= /
Tanda
de
alimento
Peso de
leche en
polvo [g]
Peso de
solución
[g]
Sólidos
remanentes
en recipiente
[g]
Solidos
totales
agregados
al sistema
[g]
Producto
seco [g]
1 81 203,049 1,876 79,124
2 40 100,705 1,783 38,217
3 40 104 2,3 37,7
Total 161 407,754 5,959 155,041 73,525
Nota: A la totalidad de producto seco se agrega la cantidad de producto que se
perdió al vaciar y colocar de nuevo los recipientes de captación.
Temperatura de aire entrando a la cámara de secado: °
Temperatura de aire a la salida del sistema: °
Cálculos:
Se tiene que el tiempo mínimo de residencia de las gotas en la cámara de
secado está dado por
=
89
Donde
: Volumen de la cámara de secado
Caudal de aire
El volumen de la cámara de secado de base cónica y cuerpo cilíndrico se
calcula a través de la siguiente expresión
= +
Donde
D: diámetro de la cámara = 0,6 m
h: altura del cuerpo cilíndrico = 0,9 m
= ( + ) =
Asumiendo que la cámara de calentamiento es completamente adiabática, se
puede calcular el flujo másico del aire por medio de la siguiente ecuación
=
Donde
Calor generado por las resistencias
Capacidad calorífica del aire
: Flujo másico del aire
Diferencial de temperatura
Dado que la cámara de calentamiento consta de 4 resistencias que
proporcionan 1800 W, entonces
= = ⁄
del aire a 1 atm, a la temperatura de salida es de / ℃
Luego el flujo másico será
=
= /
(
) − ℃=
⁄
90
La densidad del aire a 163 ºC es de =
⁄
Luego
=
=
=
(
⁄ )
⁄
=
Cálculo de eficiencias
Eficiencia térmica global
= −
− =
−
− = %
Eficiencia de secado
=
=
=
%
ANÁLISIS DE RESULTADOS
En esta práctica de laboratorio la alimentación se realizó con flujo constante
con el fin de obtener mayor uniformidad en el tamaño de las gotas y así
garantizar que el tiempo de secado de cada gota fuera aproximadamente igual.
Cabe resaltar que antes de acomodar la boquilla en la cámara de secado, se
probó con agua y leche para asegurar que la aspersión diera gotas pequeñas;
ya que entre más pequeña sea la gota, mayor es la superficie de contacto aire-
gota y por ende más fácil es la evaporación aumentando la eficiencia térmica
del equipo.
Teóricamente se tenía que la temperatura de entrada a la cámara de secado
debía oscilar entre 70 y 180 ºC y la temperatura de salida entre 100 ± 5 ºC, en
nuestra práctica la temperatura de entrada y de salida fué 180 ºC y 106 ºC
respectivamente, con lo cual se pudo observar que el equipo alcanzó la
eficiencia térmica requerida.
91
La eficiencia de secado del equipo llegó a 47%, mayor que la reportada
anteriormente en practicas pasadas (30%). Se dio un aumento global del 17%,
comprobando así que la optimización del equipo fue correcta.
Conclusiones:
El proceso de Secado por atomización involucra fenómenos de transferencia de masa y calor. La transferencia de masa ocurre desde las partes periféricas de la gota dispersada hacia el aire caliente. La transferencia de calor ocurre hacia la gota dispersada, ocasionando la evaporación del solvente, en nuestro caso agua.
La humedad relativa del aire luego del calentamiento es muy baja, sin embargo al recibir la humedad de las gotas dispersadas por transferencia de masa su estado relativo de saturación aumenta, aumentando a la vez la temperatura.
El equipo presenta una buena eficiencia térmica, y una eficiencia de
secado.
El tamaño de la gota depende ampliamente del caudal de aire
comprimido y caudal de alimentación por lo que la eficiencia del secado
también depende de estos factores.
OBSERVACIONES
Con respecto a la influencia de las variables de operación
La alimentación al secador se hizo con flujo constante para así obtener mayor eficiencia en el secado de las gotas al tener contacto con el aire.
Con respecto al producto obtenido
• Inicialmente se obtuvo un producto que se caracterizaba por mostrarse
como un polvillo fino, aparentemente seco al tacto. Pero cuando se detuvo la
operación, y se pesó el total de producto recuperado, se procedió a sacar
residuos remanentes de producto que están en el interior del equipo, pero que
no tenían las mismas características del producto que se obtuvo inicialmente,
ya que tenía apariencia pastosa, debido a su elevado contenido de humedad y
grasas.
92
PREGUNTAS
1. ¿Qué efectos e observó en el producto obtenido por el cambio de temperatura a la entrada del sistema?
2. ¿Qué efecto observó al variar el flujo de alimentación manteniendo la temperatura constante?
3. ¿Qué debe realizarse para garantizar que el producto seco es consumible?
4. ¿Qué recomendaciones agregaría para mejorar el diseño del equipo de secado por atomización? De una justificación fenomenológica.
5. Cuáles son las condiciones óptimas del equipo. 6. Que técnica experimental utilizaría para determinar las condiciones
óptimas de proceso. 7. Investigar de qué forma se puede medir el tamaño de partículas de
equipo de atomizador.
ANEXO
Prueba
N°
Tin
Air
e
To
ut
Ai
re
TinAli
mento
Tout
alimen
to
Masa
Solida
Entrada
Masa
Solida
Salida
Masa Húmeda
Aire Entrada
Masa Húmeda
Aire Salida
Flujo
Aliment
o
Hum
edad
Relat
iva
de
Entr
ada
Prueba
N°
Humedad relativa
de salida
Concentración de
Solidos Entrada
Recuperación
de solidos
Temperatura de Entrada al
calentador de aire
ACTIVIDADES
Realice pruebas manteniendo la temperatura de entrada constante, variando el
flujo de alimentación
93
Realice pruebas manteniendo el flujo de alimentación constante variando la
temperatura de entrada de aire
Realice en un solo gráfico, la cantidad de solido seco en función de la
temperatura de entrada de aire y flujo de alimentación. Determine los valores
óptimos.
Realice cualquier otra prueba con una variable de interés, manteniendo las
demás constantes.
Establezca una relación empírica entre las variables estudiadas.
94
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Perry, R. Manual del Ingeniero Químico McGraw Hill. Sexta edición 1989.
Smith, Van Ness. Introducción a la termodinámica en séptima ingeniería
química, edición, Mc Graw Hill.
Treybal, R. Operaciones de transferencia de masa, McGraw Hill. México
1085.
Wankat, P.C. Ingeniería de procesos de separación. Segunda edición.
Prentice Hall. 2008
McCabe, Smith, & Harriot. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, Séptima Edición, México, McGraw-Hill. 1981
Kern, Transferencia de Calor, México, McGraw-Hill, 1999.
Joaquin Ocon & Gabriel Tojo; Problemas de Ingeniería Química, Operaciones Unitarias, Tomo I; Ed. Aguilar.1970
Duarte A. Ingeniero Químico M. Sc. Manejo de sólidos, Universidad
Nacional. Facultad de Ingeniería, Santafé de Bogotá. Cap 1- Cap 2- Cap 9
Rey Martínez, Francisco Javier y Gómez Velazco, Eloy. Bombas de calor y energías renovables en edificios. Editorial Thomson.