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Manual de Guiones Experimentales del Laboratorio de Ingeniería Química I

ISBN: 978-607-02-4380-6

Autores

Jorge Alcaraz Cienfuegos

María Luisa Galicia Pineda

Martha Imelda Moreno Bravo

Genovevo Silva Pichardo

Diseño de portada: DG Norma Castillo Velázquez. Diseño de interiores: Maricela Hernández Casasola. Responsable editorial: CME Brenda Álvarez Carreño. Hecho en México. Prohibida la reproducción total o parcial por cualquier medio, sin la autorización escrita del titular de los derechos patrimoniales.

Primera edición 2013 © D.R. Universidad Nacional Autónoma de México.Ciudad Universitaria, Delegación Coyoacán, C.P. 04510, México, Distrito Federal.

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El contenido de este Manual estuvo a cargo de los siguientes

profesores adscritos al Laboratorio de Ingeniería Química:

Jorge Alcaraz Cienfuegos

María Luisa Galicia Pineda

Martha Imelda Moreno Bravo

Genovevo Silva Pichardo

La compilación, edición y publicación estuvo a cargo de las profesoras:

María Luisa Galicia Pineda y Martha Imelda Moreno Bravo

Agradecemos a los asesores académicos por su participación:

Enrique Rodolfo Bazúa Rueda

Enrique Chávez Castellanos

Martín Hernández Luna

Antonio Valiente Barderas

Publicación aprobada por el Comité Editorial de la Facultad de Química

Julio 2013

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Primera edición: 2013

Fecha de edición: 8 de mayo de 2013

D.R. 2013 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

Ciudad Universitaria, Delegación Coyoacán,

C.P. 04510, México, Distrito Federal.

ISBN: 978-607-02-4380-6

“Prohibida la reproducción total o parcial por cualquier medio,

sin la autorización escrita del titular de los derechos patrimoniales”.

Impreso y hecho en México

Tamaño: 14.33 MB

Tipo de impresión: HTML

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v

ÍNDICE

Introducción ............................................................................................................................ vii

Experimento 1

Balance de materia a régimen permanente ............................................................ 1

Experimento 2

Balance de materia a régimen no permanente ......................................................11

Experimento 3

Balance de materia con reacción química:

hidratación de anhídrido acético ...............................................................................19

Experimento 4

Balance de materia y energía en una torre de enfriamiento de agua .................27

Experimento 5

Viscosidad de líquidos newtonianos ...........................................................................41

Experimento 6

Viscosidad de líquidos no newtonianos .....................................................................47

Experimento 7

Caídas de presión en tuberías lisas y regímenes de flujo .........................................55

Experimento 8

Balance de materia y energía en un proceso de acondicionamiento

de aire (psicrometría) ...................................................................................................63

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vii

Introducción

Los guiones experimentales que se presentan en esta primera versión del Manual del Laboratorio de Inge-niería Química I fueron elaborados por profesores del Laboratorio y corresponden al Proyecto Institucional llamado Programa de la Reforma de la Enseñanza Experimental en la Facultad de Química. La filosofía de este programa establece que el alumno debe descubrir el fenómeno y adquirir los conceptos al resolver un problema mediante la experimentación, conducida por un material escrito llamado guión experimental, el cual contiene la información necesaria para que el alumno lo realice por sí mismo y el profesor funja como un asesor.

Tomando como base el temario de las materias teóricas de Balances de Materia y Energía, así como de Transferencia de Momento del Plan de Estudios de la Facultad, es que se ha elegido la temática de los guiones y el orden. Cada guión ha pasado por una serie de etapas de presentación y revisión, desde la concepción del objetivo académico, objetivos particulares y problema, hasta su desarrollo y aprobación por parte de los profesores del área del laboratorio para ser utilizados en el curso experimental por los alum-nos. La revisión sigue a través de las evaluaciones periódicas que se realizan a cada guión por parte de los alumnos, por lo que hemos recopilado y tomado en consideración sus opiniones, generando con esto una mejora continua de los guiones aquí presentados.

Los guiones aquí recopilados son los que por el momento se llevan a cabo en el curso del Laboratorio de Ingeniería Química I, sin embargo, se están trabajando y mejorando más guiones experimentales para incluirlos posteriormente. Con este material didáctico y el manejo de los equipos de este Laboratorio se pretende fomentar en los alumnos su creatividad, autosuficiencia y desarrollar su capacidad de análisis de resultados.

Cada guión experimental contiene:

• Título.Refierealalumnolatemáticaencuestión.• Problema.Éstesólopodráresolverseporvíaexperimental.• Parteexperimental.Esteapartadoindicalasmedidasdehigieneyseguridadquedebenteneren

cuenta los alumnos, incluye la descripción del equipo con una fotografía o diagrama explicativo para que el alumno se familiarice con éste. Asimismo, integra información experimental en tablas de registro.

• Cuestionario.Ademásdeorientaralarespuestadelproblemaplanteado,tambiénbuscaincidiren la atención del alumno sobre los fenómenos de causa-efecto que se llegan a presentar en la experimentación. Su objetivo es que el estudiante se apropie de este conocimiento.

• Nomenclatura.Orientaalalumnosobreelsignificadodelassiglasutilizadas.• Bibliografía.Sugerenciasdeobrasqueelalumnopuedeconsultarparaampliarsuconocimiento

sobre el tema que se estudia. • Anexosdeapoyo.Informaciónrelevanteycomplementariaalguiónexperimental.

Agradecemos la participación comprometida y entusiasta de todos y cada uno de los profesores que ayu-daron en la elaboración, revisión y mejora de cada guión experimental, siempre con la finalidad de darle al alumno una guía didáctica que le ayude en el desempeño de las experimentaciones que va a realizar

en el Laboratorio, y que complemente su formación como ingeniero químico.

Los autores

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Experimento 1Balance de materia a régimen permanente

1. PROBLEMA

Determinar el flujo másico en g/min, con el que debe operar la bomba que transporta la solución MEG-AGUA del tanque “A” al mezclador, así como su composición en % masa, para que al mezclarse con la corriente de flujo de composición desconocida, que va del tanque “B” igualmente al mezclador, por la acción de una bomba que opera en la posición No. 4 de su control de velocidad, se genere una corriente de flujo en la salida del mezclador con el 23% en masa de monoetilenglicol (MEG).

2. PARTE EXPERIMENTAL

2.1 Medidas de higiene y seguridad

Evitar la ingestión y contacto con la piel de la solución de MEG. •Evitar derrames en elementos e instalaciones eléctricas.•

2.2 Materiales

15 vasos de precipitado de 100 ml.•

Cronómetro.•

Balanza digital.•

Agitador magnético.•

13 jeringas.•

Refractómetro (ATAGO T3, ATAGO T1, ATAGO R5000, • MISCO).

2 mangueras para enfriamiento del refractómetro.•

Algodón.•

Piseta con agua destilada.•

Mampara o canastilla de agitación.•

Franela.•

Bomba manual.•

Vaso de precipitado de 4 L.•

3 cubetas de 10 L.•

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2

2.3 Sustancias

Dos soluciones MEG-AGUA de diferente composición almacenada en los contenedores ubicados junto al equipo experimental, y etiquetados con las letras “A” y “B”.

2.4 Servicios auxiliares

Corriente eléctrica.

2.5 Descripción del equipo

El equipo está constituido por dos secciones y cada sección está integrada por dos tanques de acrílico T-A y T-B de 8.0 L (1) y (2). Dos tanques de acrílico de 9.0 L (13) y (14) para depositar la solución resultante del mezclado. Un mezclador (3) con parrilla de agitación magnética de velocidad variable (4) y (5), dos bombas dosificadoras con control de velocidad (6), (7), (8) y (9), líneas de corrientes de flujo y válvulas (11), (12), (15) y (16).

2.6 Fotografía del equipo

Módulo de mezclado a régimen permanente

123

4 5

6

12

10

11

13

14

177

15

8

16

9

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3

2.7 Desarrollo experimental

Preparación del equipo

1. Para iniciar, activar el multicontacto eléctrico (10).

Para desarrollar adecuadamente el proceso de mezclado, verificar que los tanques de alimen-tación T-A (1) y T-B (2) de las soluciones estén vacíos, en caso contrario, vaciarlos y depositar las soluciones en el tanque de residuos.

2. Con un vaso de precipitado de plástico de 4 L agregar a los tanques de alimentación T-A y T-B las soluciones de sus respectivos contenedores hasta un 90% del volumen total.

Operación del equipo

3. Seleccionar la velocidad No. 4 con la perilla del controlador de velocidad (9). Esta velocidad permanecerá constante.

4. Medición del flujo másico de la bomba (6). Cerrando totalmente la válvula que alimenta al mez-clador (no visible en el diagrama) y abriendo totalmente la válvula (17) de la toma de muestra. Activar la bomba con el elemento de arranque situado en el controlador de velocidad, y con un vaso de precipitado, previamente pesado, tomar la muestra registrando con un cronómetro el tiempo de acumulación. Repita este procedimiento 2 veces más regresando la solución al tanque de alimentación. Registrar la masa de la muestra en la Tabla 1.

5. Asignar un número en el control de velocidad de la bomba A (7), siendo éste mayor e igual a 3 y menor e igual a 8. La variación de velocidad es lineal.

6. Cerrar la válvula de la toma de muestra (17) y abriendo la que alimenta al mezclador (3) (no visible en el diagrama).

7. Abrir la válvula (11) o (12) para que el producto que sale del mezclador se deposite en el conte-nedor de producto (13) o (14), es indiferente.

8. (a) Con los flujos de las bombas ya establecidos, iniciar el mezclado activando las bombas A (7) y B (6), simultáneamente.

9. Activar el agitador magnético del mezclador seleccionando la velocidad en la que se observe el mejor mezclado, añadiendo la mampara o canastilla de agitación.

10. Después de un minuto de que haya iniciado el derrame en el mezclador, hacer 3 mediciones del flujo másico de la salida del mezclador en el tubo que alimenta al tanque contenedor de pro-ducto, con un vaso de precipitado, una balanza y un cronómetro, de forma similar a la medición del flujo másico de la bomba (6), determinando con el refractómetro la composición en cada muestra. Para determinar la composición consultar anexos de usos de refractómetros.

11. (b) Vaciar el contenido del mezclador utilizando la bomba manual, depositándolo en una cube-ta para posteriormente almacenarlo en el tanque de residuos.

12. Repetir lo indicado en los incisos (a) y (b) en 2 ocasiones más, asignando velocidades diferentes (mayor e igual a la velocidad 3, pero menor e igual a la velocidad 8) a la bomba A (7), registran-do los resultados en la Tabla 2.

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4

Paro del equipo

13. Desactivar simultáneamente las bombas.

14. Apagar el multicontacto.

2.8 Información experimental

Tabla 1. Medición de flujo de la bomba “B”

No. de velocidad

No. de medición

(No. de vaso)

Masa (g)

Tiempo (s)

Flujo másico (g/min)

Promedio

4

1

2

3

Tabla 2. Medición de flujo en la salida del mezclador

No. de Vel.

No. de medición

(No. de vaso)Masa(g)

Tiempo (s)

Flujo másico (g/min)

IR % masa

Promedio Promedio

4

5

6

No. de Vel.

No. de medición (No. de vaso)

Masa (g)

Tiempo (s)

Flujo másico (g/min) IR

% masa

PromedioPromedio

7

8

9

No. de Vel.

No. de medición (No. de vaso)

Masa (g)

Tiempo (s)

Flujo másico (g/min) IR

% masa

PromedioPromedio

10

11

12

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5

3. CUESTIONARIO

Actividades previas a la resolución del cuestionario

1. Elaborar un diagrama de flujo en el que se describa claramente la parte del proceso de mez-clado con las corrientes de flujo.

2. Plantear la ecuación de balance total y la del balance por componente, usando la nomen-clatura indicada en la parte correspondiente de este guión.

3. En la hoja de balance anexa, identificar en cada una de las corrientes:

Las incógnitas.•Los datos directos e indirectos. •Las relaciones entre variables. •

4. Formular un sistema de ecuaciones similar a las del punto 2 para cada una de las velocidades en las que operó la bomba “A”.

Conteste lo siguiente

1. Con la información de las Tablas 1 y 2, resolver las ecuaciones del punto 4 (correspondiente a la parte de Actividades previas a la resolución del cuestionario) para determinar las composiciones de las corrientes A y B.

2. Con el resultado obtenido en el punto anterior, resolver las ecuaciones del punto 1 (correspon-diente a la parte de Actividades previas a la resolución del cuestionario), para determinar la respuesta del problema (el flujo másico en g/min con el que debe operar la bomba “A”).

3. Con el valor del flujo másico determinado en el punto anterior, determine el número de veloci-dad con la cual la bomba “A” debe operar (recordar que la variación de velocidad con respec-to al número de velocidad es lineal).

4. Seleccione en la bomba “A” el número de velocidad determinado en el punto anterior.

5. Operar el sistema de mezclado como se ha indicado en los puntos correspondientes para resol-ver el problema planteado.

6. Medir el flujo másico y su composición a la salida del mezclador, para comprobar que el flujo másico de la bomba “A” determinado sí es correcto.

7. En función del resultado del punto anterior, hacer un análisis de los balances de materia aplica-dos en el sistema de mezclado, dar conclusiones. Si el resultado experimental no coincide con el determinado por el balance de materia, analice el porqué de la diferencia y hacer nuevamente la experimentación para corregirlo.

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4. NOMENCLATURA

Para el planteamiento de las ecuaciones de balance de materia:

A flujo másico de solución A en la entada del mezclador (g/min)

B flujo másico de solución B en la entada del mezclador (g/min).

C flujo másico de mezcla en la salida del mezclador (g/min).

XMEG(A) fracción masa de MEG en la corriente de la solución A.

XMEG(B) fracción masa de MEG en la corriente de la solución B.

XMEG(S) fracción masa de MEG en la corriente S de salida del mezclador.

5. BIBLIOGRAFÍA

Valiente, B.A. y Stivalet, C.R. • Problemas de Balances de Materia, Alhambra Mexicana, México, 1986.Andersen, L.B. and Wenzel, L.A.• Introduction to Chemical Engineering, McGraw-Hill, N.Y., 1961

6. ANEXOS

6.1 Hoja de balance

Hoja de balance

Nomenclatura Unidades

Corrientes

Flujo volumétrico

Flujo másico

Fracción masa de agua

Fracción masa de MEG

Densidad

A B C

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6.2 Uso de los Refractómetros Atago T1 y T3

A. Lista de partes principales. Figuras 1 y 2.

Ensamble de iluminación de la muestra1.

Perillas de abertura del prisma2.

Prisma secundario3.

Prisma principal4.

Termistor 5.

Ensamble de la iluminación de la escala6.

Caja desecadora 7.

Conexiones de entrada y salida de agua para el control de temperatura8.

Tornillo de ajuste 9.

Perilla de compensación de color 10.

Perilla de medición 11.

Termómetro12.

Figura 1 Figura 2

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B. Ajuste de la escala

Colocar de 2 a 3 gotas de agua destilada en la superficie del prisma principal con una jeringa, 13. evitando el contacto de la jeringa con el prisma (Figura 3).

Cierre el prisma secundario y observe a través del ocular.14.

Con las perillas 11 y 12 encuentre los campos. 15.

NOTA: Si el índice de refracción obtenido es diferente de 1.333, infórmelo a su profesor.

Concluido lo anterior, con algodón y agua destilada limpiar cuidadosamente la superficie del prisma, de-jándola sin ningún residuo de agua. Determinar el índice de refracción de la muestra (IR), siga las instruc-ciones del punto B (ajuste de escala).

Determinación de la composición

Con el índice de Refracción de la muestra se puede determinar la composición por medio de la gráfica Índice de refracción vs % peso, % mol o con las ecuaciones para determinar el índice de refracción de la mezcla MEG-H2O:

Ecuaciones para determinar el índice de refracción de la mezcla MEG-H2O

% MEG ECUACIóN

% peso IR = 0.001 % peso + 1.3322

% molIR = 7x10-11(% mol)5 – 2x10-08(% mol)4 + 1x10-06(% mol)3 – 8x10-05(% mol)2

+ 0.0035(% mol) + 1.3325

Figura 3 Figura 4

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9

6.3 Gráfica y ecuaciones

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10

Dens

idad

Mez

cla

MEG

- H2O

0.991

1.01

1.02

1.03

1.04

1.05

1.06

1.07

1.08

1.091.1

1.11

1.12

1.13

1.14

05

1015

2025

3035

4045

5055

6065

7075

8085

90

Tem

pera

tura

( °C

)

Densidad (g/mL)

10%

20%

30%

40%

50%

60%

80%

70%

90%

100%

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Experimento 2Balance de materia a régimen no permanente

1. PROBLEMA

Establecer la ecuación de balance de materia para el monoetilenglicol (MEG) durante la etapa de dilución. Esta ecuación debe permitir conocer la variación de la concentración del MEG a lo largo del tiempo.

2. PARTE EXPERIMENTAL

2.1 Medidas de higiene y seguridad

Evitar la ingestión y contacto con la piel de la solución de MEG. •Evitar derrames en elementos e instalaciones eléctricas.•

2.2 Materiales

Cronómetro.•13 jeringas.•Refractómetro (ATAGO T3, ATAGO T1, ATAGO R5000).•2 mangueras para refractómetro.•Probeta de 1 L.•Extensión eléctrica•Agitador magnético.•

2.3 Sustancias

Solución problema monoetilenglicol (MEG)/agua. •Agua. •

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2.4 Servicios auxiliares

Corriente eléctrica.

2.5 Descripción del equipo

El equipo está constituido por dos secciones experimentales (con la finalidad de trabajar simultáneamente dos subgrupos), cada sección está integrada por: un tanque de alimentación de agua (10) y uno de des-carga en donde se almacenan los residuos (11), una probeta de alimentación (1) y una de descarga (8), un mezclador (3) con parrilla de agitación magnética de velocidad variable (4), una bomba dosificadora (7) con controles de % frecuencia y % volumen, líneas de corrientes de flujo y válvulas (2), (5) y (9).

2.6 Fotografía del equipo

Módulo de mezclado a régimen no permanente

12

3

4

5

6

1011

13

7

8

9

12

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2.7 Desarrollo experimental

Preparación del equipo

1. Para iniciar, activar el multicontacto eléctrico (12).

2. Cerrar la válvula de salida de la probeta de alimentación (2).

3. Llenar una probeta de 1 L con la solución problema, depositarla en la probeta de alimentación al mezclador (3), hasta el máximo nivel.

4. Verificar que no exista líquido en el mezclador, de ser así, vaciarlo al contenedor de residuos (11) abriendo la válvula de purga (5), en seguida cerrar las válvulas de alimentación (4) y de purga (5).

5. Colocar la barra magnética de agitación en mezclador (6), iniciar la agitación lo más lento posible.

6. Con la barra de agitación en movimiento, depositar la solución en el mezclador, abriendo la válvula de salida de la probeta de alimentación (2), hasta el derrame. Anotar con exactitud el volumen de la solución depositada en el mezclador (Vm). A continuación seleccionar la velocidad en la que se observe el mejor mezclado, colocando una mampara o canastilla de agitación.

Preparación de la bomba (7)

1. Antes de iniciar el proceso de dilución, para especificar el flujo volumétrico de operación, es ne-cesario abrir la tapa de controles que se encuentra al frente de la bomba (7), identificar los con-troladores de frecuencia, volumen y arranque/paro. Se recomiendan las siguientes condiciones: frecuencia de 50 a 60%, y un 40% de volumen.

2. Posteriormente, elegir las condiciones de operación; para ajustar el % volumen es necesario que la bomba esté encendida (activarla con el control de arranque/paro). Posteriormente, desacti-var la bomba para seleccionar el % de frecuencia (en este momento la bomba se encuentra en condiciones de operación).

Operación del equipo

- Alimentación de agua al mezclador

1. Abrir la válvula de alimentación del mezclador (4).

2. Activar la bomba (7) con el control de arranque/paro para iniciar la dilución.

3. Cuando el agua entre al mezclador y empiece a salir por el derrame (13) a la probeta de medi-ción de salida de (8), se activa el cronómetro.

- Toma de muestras

Con una jeringa tomar un volumen de aproximadamente 0.5 mL de la solución inicial (para el tiempo cero), posteriormente tomar muestras de aproximadamente 2 mL cada minuto en la salida del mezclador, durante12 minutos.

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- Medición de las composiciones de las muestras

De cada una de las muestras en las jeringas, agregar de 3 a 4 gotas de la solución en el portamuestras del refractómetro, para determinar su composición (el uso de este instrumento se encuentra en el apéndice del manual), anotar los resultados en la Tabla 1.

- Medición del flujo volumétrico en el mezclador

Con un cronómetro y la probeta instalada en la salida del mezclador (8), con la válvula de descarga (9) cerrada, se determina el flujo volumétrico, midiendo los incrementos de volumen y tiempo, se recomienda determinar de 3 a 5 valores para dar un representativo en la solución del problema, (anotándolos en la Tabla 2). Para que la probeta de medición de salida (8) no se derrame, es necesario desalojar el líquido después de cada medición abriendo la válvula (9) y que éste se acumule continuamente en el contene-dor de residuos del módulo (11).

Paro del equipo

Terminada la toma de muestras y la medición del flujo volumétrico:

1. Desactivar la bomba accionando el arranque/ paro que se encuentra junto a los controladores de frecuencia y volumen de la bomba.

2. Desactivar el multicontacto de la corriente eléctrica (12).

3. Depositar la solución diluida de mezclador en el contenedor de residuos (11), abriendo la válvula de purga (9).

4. Dejar limpia y ordenada el área de trabajo, limpiar el material adicional y entregarlo al almacén.

2.8 Información experimental

Tabla 1. Composición de las muestras

θ (min) IR % en masa0.0 (Solución problema) 1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

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Tabla 2. Medición del flujo de salida

D V (mL) D θ (s) D V / D θ (mL / s) D V / D θ (mL / s)1

Promedio

2

3

4

5

3. CUESTIONARIO

Actividades previas a la solución del cuestionario

1. Mostrar las corrientes de flujo en un diagrama que describa el proceso de mezclado.

2. Identificar las variables del proceso que permanecen constantes y las que varían en el mezclador.

3. Con los datos experimentales determinar lo que se indica con relación al mezclador en la Tabla 3.

4. Con los datos de la Tabla 3 hacer una gráfica de la concentración de MEG- vs –Tiempo.

Tabla 3

Tiempo (min)

(Fracción masa)X

MEG

Concentración MEG (g/mL)

Masa MEG (g)

Masa de agua (g)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

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Conteste lo siguiente

1. Indicar gráficamente las variables del proceso que demuestran que el mezclado es a régimen no permanente.

2. Considerando el signo de la gráfica MEG- vs –Tiempo indicar el significado físico de la pendiente y las unidades que le corresponden.

3. Con referencia al diagrama del punto No. 1 de actividades previas plantear:

3a. La ecuación general de balance de materia.

3b. La ecuación de balance por componente para el MEG. Y con ésta, determinar la concen- tración de MEG que hay en el mezclador en el minuto 2, 6, y 11.

4. En función de los resultados del inciso anterior, si existen diferencias, hacer un análisis para expli-car la razón por las que se dan.

4. NOMENCLATURA (para el planteamiento de las ecuaciones de balance de materia)

E flujo volumétrico de agua en la entrada del mezclador (mL/min).

E• flujo másico de agua en la entada del mezclador (g/min).

S flujo volumétrico de agua en la salida del mezclador (mL/min).

S• flujo másico de agua en la salida del mezclador (g/min).

A acumulación en el mezclador (g/min).

V volumen de mezcla en el mezclador (mL).

CMEG concentración de MEG en el mezclador y la salida (g de MEG/mL de mezcla).

5. BIBLIOGRAFÍA

Valiente, B.A. y Stivalet, C.R. • Problemas de Balances de Materia, Alhambra Mexicana, México, 1986. Andersen, L.B. and Wenzel, L.A. • Introduction to Chemical Engineering, McGraw-Hill, N.Y., 1961.

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6. ANEXOS (consultarlo en el guión de Balances de materia a régimen permanente)

Hoja de balance

Nomenclatura Unidades

Corrientes

Flujo volumétrico

Flujo másico

Fracción masa de agua

Fracción masa de MEG

Densidad

A B C

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Experimento 3Balance de materia con reacción química: hidratación de anhídrido acético

1. PROBLEMA

Se desea producir 4.5 gramos de ácido acético en solución acuosa en un reactor intermitente, ¿durante qué tiempo debe operar el reactor para cumplir este requerimiento?

2. PARTE EXPERIMENTAL

2.1 Medidas de higiene y seguridad

El anhídrido acético líquido y sus vapores son corrosivos y tóxicos, por lo que se deberá • evitar su inhalación y contacto directo con la piel.

Se recomienda el empleo de lentes de protección durante todo el desarrollo del experi- • mento.

Usar bata o ropa protectora.•Emplear guantes para el manejo del anhídrido acético concentrado. •

2.2 Materiales

Reactor de vidrio de 1000 mL de capacidad, con chaqueta de calentamiento y/o enfria-•miento, con tapa de 3 bocas para adición de reactivos, sensor de temperatura y agitación mecánica respectivamente.Agitador mecánico con flecha de 20” de longitud 1/32 HP y 1750 r.p.m.•Baño con termostato para control de la temperatura de reacción.•10 matraces Erlenmeyer de 125 mL.•Jeringa de 25 mL con extensión de 25 cm.•

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2 buretas automáticas de 50 mL.•Balanza electrónica.•Vaso de precipitado de 4 L.•

2.3 Sustancias

Anhídrido acético, R.A.•Agua destilada.•Anilina, R.A.•Hidróxido de sodio, solución al 0.05 N.•Fenolftaleína en solución en etanol, 0.1% peso.•Azul de bromotimol, solución alcohólica al 0.1%.•Hidróxido de sodio. Solución concentrada para neutralización.•

2.4 Servicios auxiliares

Agua de enfriamiento.

2.5 Descripción del equipo

El sistema de reacción consiste de un reactor enchaquetado de 1000 mL de capacidad, construido en vidrio Pyrex equipado con sistema de recirculación de agua para trabajar a temperatura constante, co-nexiones para medición de temperatura y toma de muestras. Consta además con agitador mecánico (1), boquilla para adición de reactivos (2) y boquilla para toma de muestras (3).

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2.6 Fotografía del equipo

2.7 Desarrollo experimental

Preparación para toma de muestras

1. Preparar previamente a la toma de muestras dos series de matraces Erlenmeyer:

2 a 6 matraces con 10 mL de agua destilada. •8 matraces con 10 mL de agua destilada saturada con anilina (15 g de anilina en 500 mL •de agua, agitar vigorosamente y dejar reposar 20 min).

Operación del equipo

2. Ajustar la temperatura del baño de recirculación en 23-25°C y recircular el agua por el sistema de calentamiento/enfriamiento del reactor. A esta temperatura, se cargan al reactor 750 mL de agua destilada y se inicia la agitación. Esperar la estabilidad térmica del sistema.

3. Adicionar al reactor 5 mL (5.41 g) de anhídrido acético concentrado (99% de pureza), registrar éste como tiempo inicial, a partir del cual se tomarán las muestras.

Page 31: Guión Experimental, LIQ 1

22

4. Tomar de 3 a 5 mL de solución del reactor a periodos regulares de tiempo.

5. Colocar cada una de las muestras en el matraz correspondiente, el cual deberá estar previa-mente tarado e identificado.

6. Registrar tiempo y peso de cada una de las muestras tomadas (completar la tabla de datos, Tabla 1).

Paro del equipo

El procedimiento experimental se dará por terminado una vez que se toman las muestras requeridas para su posterior valoración. Al final de la experimentación todos los accesorios del equipamiento deberán que-dar apagados, en OFF y el reactor limpio.

Poner en apagado (OFF) el baño de recirculación y el control del motor del agitador.

La descarga de la mezcla de reacción, para dejar el reactor listo para un próximo uso, se llevará a cabo abriendo la llave localizada en el fondo del reactor, hasta permitir el escurrimiento total de la solución ácida resultante, recibiendo ésta en un vaso de precipitado de 4 litros. Para la disposición final de esta solución, previamente deberá ser neutralizada con solución concentrada de NaOH, agregando 5 gotas de solución alcohólica de fenolftaleína, agitando moderadamente, hasta el cambio de coloración de transparente a rosa.

Recomendaciones

Seleccionar intervalos de tiempo adecuados para la toma de la muestra.•Considerar que el volumen permanece constante durante todo el desarrollo experimental, •para lo cual, se debe tomar la cantidad adecuada de muestra (tal que el volumen no sea significativo respecto al volumen total). Para resolver el problema, se consigue mayor precisión pesando las muestras en lugar de •medir su volumen. Las muestras pueden ser de diferente masa, sin embargo, la cantidad de producto y reactivo es proporcional a la masa total.

En el cociente mL NaOH (0.05 N) / gmuestra para la muestra tomada a cualquier tiempo, mL NaOH (0.05 N) corresponde a moles de ácido acético que reaccionan al neutralizarse por gramo de muestra.

Para la determinación cuantitativa del ácido acético presente, tanto en las muestras recibidas en agua como en las recibidas en solución saturada de anilina, recurrir al anexo A.

Page 32: Guión Experimental, LIQ 1

23

2.8 Información experimental

Tabla 1. Registro de datos experimentales

1 Tiempo (min)

2 Masa de mues-

tra (gM)

3 Volumen de

titulante gastado (mL)

4 Volumen de

titulante gastado (mL/gM)

5 Anhídrido acético

sin reaccionar (mol /L)

0.5

1.0 AGUA

1.5

2.0 AGUA

2.5

3.0 AGUA

3.5

5.0

7.0 AGUA

10.0

12.0 AGUA

13.0

15.0

18.0 AGUA

20.0

3. CUESTIONARIO

Para la muestra t = 3 min (para el matraz con agua), ¿cuántas moles de 1. NaOH (0.05 N) se con-sumen? ¿Con cuántas moles de ácido acético reaccionaron?

Para la muestra t = 3.5 min (para el matraz con anilina), ¿cuántas moles de 2. NaOH (0.05 N) se consumen? ¿Con cuántas moles de ácido acético reaccionaron?

Explique la ventaja de relacionar el volumen gastado del titulante por el peso de la muestra 3. (columnas 3 y 4 de la Tabla 1 de datos).

(mL) titulante gastado / gM

4. ¿Cómo son los valores en el consumo de titulante en las muestras recibidas en matraces con agua, mL NaOH (0.05N) / gM? ¿ Hay diferencia en estos valores o son constantes? ¿Qué conclu-ye de esto?

Compare los valores de la solución de 5. mL NaOH (0.05 N) empleada para neutralizar las mues-tras recibidas en matraces con solución saturada de anilina, mL NaOH (0.05N) / gM. ¿Son valores constantes o hay diferencia entre ellos? ¿Cómo explica sus resultados?

Page 33: Guión Experimental, LIQ 1

24

6. Al consumirse la totalidad del anhídrido acético a las condiciones experimentales selecciona-das, ¿qué concentración de ácido acético se obtiene en la mezcla de reacción? Expresarla en mol/L.

Si la densidad de la mezcla de reacción es aproximadamente de 1 g/cm3, expresar el resultado anterior en g/gM.

Compare los resultados obtenidos en 7. moles de ácido acético/L, obtenidos para muestras re-cibidas en matraces con agua y anilina, respectivamente; para tiempos consecutivos, por ejemplo, para los tiempos 3 y 3.5 minutos, ¿son iguales, hay diferencia entre ellos? Explique su respuesta.

Repita el procedimiento anterior para los valores encontrados al titular los demás matraces de 8. anilina.

¿Qué cantidad de anhídrido acético, 9. mol / L deberá reaccionar para tener en la mezcla de reacción 4.5 gramos de ácido acético, a sus condiciones experimentales?

¿En qué tiempo se producen estos 10. 4.5 g de ácido acético?

Proponga usted las reacciones que ocurren al titular las muestras recibidas en matraces con 11. anilina y con agua.

4. NOMENCLATURA

gM masa de muestra en g.

N normalidad de la solución titulante.

5. BIBLIOGRAFÍA

Eldridge, J.W., Piret, E.L. • Continuous-flow stirred-tank reactor system I. Design equations for homoge-neous liquid phase reactions. Experimental data. Chemical Engineering Progress 46, 290, 1950.Asprey, S.P., Wojciechowski, B.W., Rice, N.M., Dorcas, A. • Aplications of temperature scanningin the kinetics investigations: the hydrolisis of acetic anhydride. Chemical Engineering Science 51 (20), 1996, 4681-4692.

6. ANEXO

Método de análisis

Volumetría

El análisis de muestras se basa en la determinación cuantitativa de ácido acético formado, tanto en las muestras recibidas en matraces con agua, como en los matraces que contienen solución saturada de anilina.

Page 34: Guión Experimental, LIQ 1

25

La reacción de hidratación de anhídrido acético produce ácido acético. En la reacción entre anhídrido acético y anilina también se produce ácido acético, sin embargo, esta última reacción es instantánea, es decir, es mucho más rápida que la reacción de hidratación. Esta afirmación es fundamental para la determinación del consumo de anhídrido acético con respecto al tiempo.

Tanto las muestras colectadas en matraces con agua, como las colectadas en matraces con solución de anilina, serán tituladas con solución valorada de hidróxido de sodio 0.05 N.

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Page 36: Guión Experimental, LIQ 1

27

Experimento 4Balance de materia y energía en una torre de enfriamiento de agua

1. PROBLEMA

Encontrar el flujo de aire (m3/h) necesario para enfriar 4.35 L/min de agua, de una temperatura cercana a 48°C hasta 28°C en una torre de enfriamiento. Explore por lo menos tres flujos de aire en el intervalo de 90 a 310 m3/h.

Resolver los balances de materia y energía en la torre de enfriamiento para cada flujo de aire y conteste las siguientes preguntas:

a) ¿Qué cantidad de agua se evapora y se transfiere al aire en kg/h?

b) ¿Qué cantidad de energía pierde el agua y se transfiere al aire en Kcal/h?

c) ¿Qué cantidad de agua se pierde por arrastre en kg/h?

d) ¿Cuál es la influencia del flujo de aire en el enfriamiento del agua y en la cantidad de agua evaporada?

2. PARTE EXPERIMENTAL

2.1 Medidas de higiene y seguridad

Evitar derramar agua.•Secar el área de trabajo en caso de derrame de agua.•

Page 37: Guión Experimental, LIQ 1

28

2.2 Materiales

4 fusibles. •Psicrómetro.•Termómetro de bulbo seco.•Termómetro de bulbo húmedo.•Piseta con agua.•Cronómetro.•

2.3 Sustancias

Agua.•Aire ambiente.•

2.4 Servicios auxiliares

Corriente eléctrica de 110 volts.

Page 38: Guión Experimental, LIQ 1

29

2.5 Descripción del equipo

Clave Equipo Características

1 Torre de enfriamiento

Torre de enfriamiento de agua marca Hilton. Tipo: tiro forzado; dimensiones: 30 cm de largo por 30 cm de ancho; altura del em-paque: 1.27 m, construido en aluminio anodizado con un total de 57 rejillas.

2 Ventilador de aireVentilador de aire centrífugo de una sola etapa y de 3 Hp, con persiana para control de aire en la entrada, con capacidad de 430 m3/h a 18°C.

3 Calentador de aguaCuatro calentadores de agua tipo resistencia con una capaci-dad de calentamiento de 2.5 Kj/s.

4 Placa de orificio Provoca la caída de presión del aire entrante.

5Convertidor de la placa de orificio

Manómetro diferencial con capacidad de medida de 0 – 4.7 m3/h a 28°C y 1.15 kg/m3.

6 Tanque de alimentaciónAlimentación de agua por gravedad con una capacidad de suministro de 5.8 LPM de agua.

7Rotámetro para flujo de agua

Rotámetro para flujo de agua con indicador de altura del flota-dor, intervalo de 0 – 28 cm y capacidad de 5.19 LPM.

8Termómetro para medir la temperatura del agua de entrada

Termómetro bimetálico de carátula con intervalo de 0 – 160°C.

9Termómetro para medir la temperatura de agua de salida

Termómetro bimetálico de carátula con intervalo de 0 – 200°C.

10 Tanque receptor de aguaTanque receptor de agua con indicador de nivel con capacidad de 3.8 kg masa de agua.

11 Caja distribuidora de aireCaja distribuidora de aire de entrada con dos termopozos para colocar un termómetro de bulbo seco y otro de bulbo húmedo.

Page 39: Guión Experimental, LIQ 1

30

2.6 Fotografía del equipo

Page 40: Guión Experimental, LIQ 1

31

2.7 Desarrollo experimental

Preparación del equipo

Verificar que esté abierta la válvula de suministro de agua de la red general del laboratorio al 1. equipo.

Colocar los 4 fusibles del calentador eléctrico.2.

Colocar en la posición de encendido (3. ON), los interruptores del calentador y del motor del ventilador.

Instalar los termómetros de bulbo seco y de bulbo húmedo en la entrada de aire a la torre, en 4. sus respectivos termopozos.

Abrir las válvulas V1 y V2 de suministro de agua al tanque de alimentación. La descarga de agua 5. hacia el drenaje por la línea de purga indicará tanque lleno. Controlar una descarga mode- rada de agua hacia el drenaje. Verifique que no haya burbujas de aire en la línea de agua.

Abrir la válvula del control de flujo de agua V3 hasta obtener la posición 22 en el rotámetro. 6.

Controlar en el medidor de nivel del tanque receptor de agua, una altura intermedia de agua 7. con la válvula V4.

Operación del equipo

Encender el ventilador y elegir el flujo de aire (entre 90 y 310 m8. 3/h) abriendo o cerrando la per-siana del ventilador.

Activar tres o cuatro resistencias de calentamiento del agua para alcanzar una temperatura 9. de 48°C. Precaución: cuidar que la temperatura no pase de 50°C.

Medir las temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo del aire ambiente.10.

Registrar en la tabla de datos experimentales, cada diez minutos, las condiciones de opera-11. ción. Permitir que la torre alcance el régimen permanente.

Medir el flujo de agua a la salida de la torre, después de completar el registro de datos con el 12. siguiente procedimiento.

Vaciar totalmente el tanque receptor de agua.a) Cerrar rápido y completamente la válvula V4. Observar la elevación del agua en el medidor b) de nivel. Arrancar el cronómetro, cuando el nivel del agua coincida con la marca inferior de calibración del tanque.Detener el cronómetro cuando el nivel del agua coincida con la marca superior de c) calibración. Registrar el tiempo.Repetir la medición desde el inciso a) hasta el c) y obtener tres a cuatro lecturas d) de tiempo.

Seleccionar otro flujo de aire diferente para realizar otra corrida.13.

Page 41: Guión Experimental, LIQ 1

32

Paro del equipo

Apagar los calentadores de agua y el ventilador.14.

Quitar todos los termómetros y los fusibles.15.

Colocar en la posición de apagado (16. OFF) los interruptores del calentador y motor del ventilador.

Esperar que el termómetro de entrada de agua marque temperatura ambiente y cierre las 17. válvulas de suministro y control de agua a la torre (V1, V2 y V3).

2.8 Información experimental (ir a Tabla 1)

3. CUESTIONARIO

Actividades previas al cuestionario

1. Representar mediante un diagrama de flujo simplificado el proceso del enfriamiento de agua y señalar las corrientes de entrada y salida, así como las variables involucradas. Use la notación declarada en el anexo de este guión.

2. Para cada una de las corridas efectuar los cálculos de balance de materia y energía (consultar el anexo).

Conteste lo siguiente

1. ¿Cómo advierte que se alcanza el régimen permanente en la operación de la torre?

2. ¿Cuántos grados centígrados se enfrió el agua? ¿Cómo se llama este intervalo de temperatura?

3. Utilizar la carta de humedad y un método analítico (ver anexo) para determinar el aire ambiente y el de salida de la torre:

El punto de rocío.•La humedad relativa.•La humedad absoluta.•

4. Comparar la humedad absoluta del aire a la entrada y a la salida de la torre, ¿a qué se debe la diferencia?

5. Calcular el flujo másico de aire y los flujos másicos de agua a la entrada y a la salida de la torre de enfriamiento.

6. Comparar el flujo másico de agua a la entrada y a la salida de la torre, ¿a qué se debe la dife-rencia?

7. Resolver los balances de materia y determinar cuánta agua se evaporó y cuánta salió como arrastre (agua líquida) con el aire de salida. El arrastre debe ser un número pequeño, en caso de que sea grande o negativo es indicio de que algunas de sus mediciones tienen error.

Page 42: Guión Experimental, LIQ 1

33

8. Resolver el balance de energía y determinar las diferentes contribuciones (ver procedimiento en el anexo).

¿De cuánto son las contribuciones para enfriar el agua y para evaporar el agua (DH5 y DH8)? También observe la suma de todas las contribuciones. ¿Qué representa este número? Este último número debe ser cercano a cero, un valor grande es indicio de error en algunas de sus medi-ciones.

9. De las mediciones que realizó, ¿cuáles espera que tengan el mayor error experimental?

10. Resolver nuevamente los balances de materia y energía tomando ahora sólo las mediciones que estén menos sujetas a error experimental. Debe escoger suficientes datos para que los gra-dos de libertad sean cero. Tomar como valor del arrastre el 0.2% del agua de alimentación a la torre. Considere que el aire que sale de la torre está saturado y que la operación de la torre de enfriamiento es adiabática (SUMA=0).

11. Comparar los valores de agua evaporada y arrastre que calculó en el punto 11 con los calcula-dos en el punto 8. ¿Qué diferencias existen? Explique.

12. Analizar los cálculos del balance de energía y contestar a la pregunta: ¿cómo ocurre el enfria-miento de agua?

13. Analizar los cálculos de las corridas a los diferentes flujos de aire y determinar la influencia que éste tiene sobre el enfriamiento del agua.

Page 43: Guión Experimental, LIQ 1

34

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Page 44: Guión Experimental, LIQ 1

35

14. Con los resultados de las diferentes corridas a los diferentes flujos de aire, prepare las siguientes gráficas:

Temperatura de agua de salida • vs flujo de aire.Cantidad de agua evaporada • vs flujo de aire. Muestre los resultados de los puntos 7 y 11.

Obtenga conclusiones que le ayuden a entender qué fenómenos ocurren en la torre de enfria-miento al poner en contacto el agua caliente con el aire.

15. Presente los resultados de todas las corridas que realizó en una tabla.

16. Para una de las corridas entregue la memoria de cálculo.

17. ¿Cuál es el flujo de aire encontrado para enfriar la corriente de agua a la temperatura del pro-blema?

4. NOMENCLATURA

A flujo másico de AIRE SECO en la entrada a la torre (kg aire seco/h).

B flujo másico de AIRE SECO a la salida de la torre (kg aire seco/h).

C flujo másico de alimentación de AGUA caliente (kg/h).

D flujo másico a la salida de AGUA fría (kg/h).

YA humedad absoluta del AIRE en la entrada a la torre (kg H2O vapor/kg aire seco).

YB humedad del AIRE a la salida de la torre (kg H2O vapor/kg aire seco).

Bagua flujo másico de arrastre (agua líquida) con aire de salida (kg agua líquida/h).

DH diferencia de entalpía entre el estado final menos el inicial (consulte el diagrama de “cajitas” al final del anexo).

5. BIBLIOGRAFÍA

Foust, A.S., Wenzel, L.A., Maus, L., Clump, C.W., Andersen, L.B. • Principios de Operaciones Unitarias, Editorial CECSA, México, 1995.McCabe, W.L., Smith, J.C. • Operaciones Básicas de Ingeniería Química, Editorial Reverté, México, 1998.Valiente, A., Stivalet, R.P. • Problemas de Balance de Energía, Editorial Alambra Mexicana, México, 1987.

6. ANEXO

Balance de materia

Aire Seco: A = B

Agua: C + A YA = D + B YB + Bagua

Page 45: Guión Experimental, LIQ 1

36

Agua evaporada: A (YB - YA)

Balance de energía

En el diagrama de “cajitas” al final del anexo se presenta el balance de energía para la torre de enfria-miento. Las “cajitas” del lado izquierdo representan a las corrientes de entrada a la torre y las “cajitas” del lado derecho a las corrientes de salida. Cada flecha indica un paso para llegar del estado inicial (corrien-tes de entrada), al estado final (corrientes de salida). A cada paso le corresponde un DH y se calcula con las expresiones que se dan a continuación. La suma de todas las contribuciones es igual al calor transferido del exterior a la torre. En caso de ser negativo indicará que la torre de enfriamiento cede calor al exterior.

DH1 = 0.0 (porque se separan los componentes de una corriente gaseosa y el calor de mezclado para gases es cero).

DH2 = 0.0 (porque los estados inicial y final son agua pura a la misma temperatura).

DH3 = A Cpaire (TB - TA)

DH4 = A YA CpVagua (TB - TA)

DH5 = A (YB - YA) CpLagua (To - TC) + DTo + CpV

agua (TB - To)

DH6 = 0.0 (porque se mezclan corrientes gaseosas a la misma temperatura y el calor de mezclado para

gases es cero)

DH7 = (Bagua) CpLagua (TB - TC)

DH8 = D CpLagua (TD - TC)

SUMA = DH1 + DH2 + DH3 + DH4 + DH5 + DH6 + DH7 + DH8

SUMA = Transferencia de calor del exterior a la torre de enfriamiento

PROPIEDADES

Aire: Cpaire = 1.005 kJ/kg °C

Agua: CpaguaV

= 1.888 kJ/kg °C CpaguaL

= 4.191 kJ/kg °C

λ To = 2501.7 kJ/kg To = 0°C

Presión de vapor ln P° = −+

A BT C

; P° en bar, T en K

Page 46: Guión Experimental, LIQ 1

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Constantes de Antoine (ecuación de presión de vapor del agua)

273 K < T < 353 K 353 K < T < 423 K

A 12.0426 11.7201

B 4030.178 3841.0929

C -38.043 -45.049

Ecuaciones para el sistema AIRE-AGUA

y1 fracción mol del vapor de agua en el aire.

(y1)sat fracción mol del vapor de agua en el aire a condiciones de saturación.

Y humedad (absoluta) = kg de vapor de agua en el aire / kg de aire seco.

Ysat humedad (absoluta) a condiciones de saturación.

P presión total absoluta (presión atmosférica).

P° presión de vapor del agua.

PM2 masa molar (peso molecular) del aire = 29.

PM1 masa molar (peso molecular) del agua = 18.

Humedad absoluta: Y PM yPM y

y PM YPM Y PM

=−( ) =

+( )

( ); ( )

( ) ( )1 1

2 11

2

2 11

Aire saturado: y PP

Y PM PPM P P

sat sat1

1

2

0 1( ) = ° = °− °( ) [ ]; ( )

( ),

YR = Humedad relativa en %:

Y P yP

yy

PP

PM YPM PM YR sat=

°=

( )=

( )( )+( )

100 100 1001 1

10

2

1 2

Línea de humidificación adiabática o línea de bulbo húmedo

(T, Y ) son las condiciones iniciales del aire (son las condiciones de bulbo seco del aire).

(T sat, Y sat) son las condiciones del aire cuando se sigue una humidificación adiabática hasta saturación y

Page 47: Guión Experimental, LIQ 1

38

deben cumplir la ecuación de saturación siguiente (son las condiciones de bulbo húmedo del aire):

T sat es igual a la temperatura de bulbo húmedo para el caso del sistema AIRE-AGUA

Cp Y Cp T T Cp Cp T T Yaire aguaV sat

o aguaV

aguaL sat

o+( ) −( ) = + − −( )λ [ ][ ] −−( )Y sat

Despejando la humedad Y de la ecuación anterior se obtiene:

YY Cp Cp T T Cp T T

Cp

sato agua

VaguaL sat

o airesat

o

=+ − −( ) + −( )

+

λ

λ

[ ] [ ]

[ aaguaV

aguaL sat

o aguaV satCp T T Cp T T− −( ) + −( )] [ ]

Despejando la temperatura se obtiene:

T TY Y Cp Cp T T

Cp Y Cpsat

sato agua

VaguaL sat

o

aire ag

= +−( ) + − −( )

+

λ [ ] [ ]

uuaV

Page 48: Guión Experimental, LIQ 1

39

Para leer la humedad absoluta en la carta psicrométrica:

DH1

D (

kg/h

)

)

Page 49: Guión Experimental, LIQ 1
Page 50: Guión Experimental, LIQ 1

41

Experimento 5Viscosidad de líquidos newtonianos

1. PROBLEMA

Determinar la viscosidad de la acetona a la temperatura de 30oC, empleando un viscosímetro capilar.

2. PARTE EXPERIMENTAL

2.1 Medidas de higiene y seguridad

Mantener tapados los recipientes contenedores de líquidos con parafilm.•Secar rápidamente cualquier derrame de líquidos en la mesa de trabajo.•Verter los líquidos usados en los contenedores de residuos correspondientes.•

2.2 Materiales

Soporte con pinzas de tres dedos.•Pipeta de 10 ml.•Jeringa para succión.•Cronómetro.•Termómetro.•Piseta con agua destilada.•Vaso de precipitados con la muestra líquida.•Papel Sanitas.•Baño térmico con dos mangueras: para agua y manguera roja para desagüe.•Tina de acrílico con tapa.•Viscosímetros capilares del #25 y #50.•

Page 51: Guión Experimental, LIQ 1

42

2.3 Sustancias

20 ml del líquido problema.•Agua destilada.•

2.4 Servicios auxiliares

Agua.•Corriente eléctrica de 110 volts.•

2.5 Descripción del equipo

El viscosímetro consta de un tubo para entrada de la muestra líquida (A); un bulbo receptor de la muestra (B); un tramo de tubo por donde se realiza la succión de la muestra (C); dos marcas que indican el paso de la muestra desde nivel 1 (D) a nivel 2 (E). El viscosímetro se coloca en el soporte con pinzas de tal forma que el tubo A quede en posición vertical.

2.6 Diagrama del equipo

Page 52: Guión Experimental, LIQ 1

43

2.7 Desarrollo experimental

Para elegir el viscosímetro adecuado se recomienda que la muestra líquida tenga un tiempo de afluencia mayor de 200 s y menor de 800 s a través del tubo capilar, a temperatura ambiente.

Preparación del equipo

Revisar que el viscosímetro esté limpio, en su defecto lávelo con un poco de la sustancia pro-1. blema.

Colocar el viscosímetro en el soporte con pinzas.2.

Introducir 7 ml de la muestra líquida aproximadamente. Si trabaja a temperatura ambiente 3. pase al punto 6.

Sumergir el viscosímetro en la tina de acrílico (soportándolo en la muesca inferior de la tina y 4. embonado con la tapa por la parte superior), previamente llenada con agua a la temperatura de operación.

Permitir que la muestra líquida se caliente por 10 minutos si la temperatura elegida se encuentra 5. por debajo de los 40°C y 15 minutos si es menor de 100°C.

Operación del equipo

Aplicar succión para elevar el líquido por arriba de la marca D.6.

Permitir que la muestra líquida fluya libremente y medir el tiempo de descarga del líquido al 7. pasar de la marca D a la E. Registre sus resultados en la Tabla 1.

Repetir los pasos 6 al 7 hasta obtener certidumbre en la medición.8.

Si desea otra temperatura de operación, repetir los pasos 4 al 8.9.

Retirar el viscosímetro de la tina, lavarlo muy bien con agua destilada y colocarlo nuevamente 10. en el soporte.

Introducir 7 ml de agua destilada y repetir los pasos 6 a 8.11.

Determinar lo siguiente

Emplear el líquido 1 (acetona) en el viscosímetro capilar #25 para determinar el tiempo de A. descarga. Repetir el paso anterior con el mismo líquido, pero ahora emplear el viscosímetro capilar #50.B. Lavar perfectamente los viscosímetros capilares #25 y 50 con suficiente agua destilada.C. Emplear el líquido 2 (agua destilada) en el viscosímetro capilar #25 para la determinación del D. tiempo de descarga.Repetir el paso anterior con el mismo líquido, pero ahora emplear el viscosímetro capilar #50.E.

Page 53: Guión Experimental, LIQ 1

44

Paro del equipo

Retirar el viscosímetro del soporte, vaciar el líquido en el recipiente de residuos.12.

Lavar muy bien el viscosímetro con agua destilada.13.

Limpiar con agua los materiales y recipientes empleados.14.

Apagar el baño térmico, desconectarlo de la corriente y dejarlo limpio de agua. 15.

2.8 Información experimental

Tabla 1. Registro de datosViscosímetro capilar No.:

Líquido Temperatura (°C)

Tiempo 1 (s)

Tiempo 2 (s)

Tiempo 3 (s)

Tiempo promedio

(s)

Viscosidad (cSt)

Viscosímetro capilar No.:

Líquido Temperatura (°C)

Tiempo 1 (s)

Tiempo 2 (s)

Tiempo 3 (s)

Tiempo promedio

(s)

Viscosidad (cSt)

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45

3. CUESTIONARIO

1. ¿El tiempo de escurrimiento de los líquidos 1 y 2 en el capilar # 25 es el mismo? ¿Qué líquido fluye más rápido? ¿Se aprecia el mismo comportamiento al emplear el capilar #50?

2. Como la constante gravitacional en el escurrimiento de los líquidos 1 y 2 es constante, ¿diga cuáles son las fuerzas causantes de la diferencia en los tiempos de escurrimiento?

3. ¿En qué líquido considera que se presentan con mayor magnitud estas fuerzas para el capilar #25? ¿Y para el capilar #50?

4. Obtenga la ec. (1) a partir de la ecuación de Hagen-Poiseuille y evalúe el coeficiente K para cada uno de los capilares, considerando al líquido 2 como el líquido de referencia.

(1)

donde µ es la viscosidad dinámica, ρ la densidad del fluido y θ el tiempo de escurrimiento.

5. Si con el agua líquida como líquido de referencia en los capilares #25 y 50 se obtienen valores di-ferentes de las constantes K25 y K50, ¿diga de qué propiedades dependen éstas? ¿Qué unidades tienen las constantes?

6. Empleando la misma ecuación (1) y con el conocimiento de K25 y K50, calcule las viscosidades para el líquido 1 (acetona) en ambos capilares a la temperatura dada.

7. ¿Las viscosidades de los líquidos 1 y 2 son las mismas para el capilar #25? ¿Qué líquido tiene ma-yor viscosidad? ¿Se presenta el mismo comportamiento para el capilar #50?

8. ¿Cómo está relacionada esta viscosidad con la resistencia a fluir?

9. ¿Cuál es el error porcentual con respecto al valor de la viscosidad reportado en la literatura?

10. Tomando en consideración toda la información experimental desarrollada anteriormente, ¿pue-de decir con sus propias palabras cuál es el significado físico de la viscosidad?

4. NOMENCLATURA

ν viscosidad cinemática (cSt) m viscosidad absoluta (cP) r densidad (g/cm3) q tiempo (s)

5. BIBLIOGRAFÍA

Bird, R., Stewart, W. and Lightfoot, E. • Transport Phenomena, 2nd Ed., John Wiley & Sons, New York, 2002.Viswanath, D. and Natarajan, G., • Data Book on the Viscosity of Liquids, Hemisphere Publishing Corpora-tion, New York, 1989.

ν µρ

θ= = K

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47

Experimento 6Viscosidad de líquidos no newtonianos

1. PROBLEMA

Para cada uno de los líquidos suministrados, describir el comportamiento de la viscosidad en un reograma e indicar de qué tipo de fluidos se trata y cuál líquido elegiría en caso de querer ahorrar energía para mo-verlo a altas velocidades de corte.

2. PARTE EXPERIMENTAL

2.1 Medidas de higiene y seguridad

Mantener los recipientes con los líquidos tapados con parafilm.• Secar cualquier derrame de líquidos en la mesa de trabajo.• Mantener los líquidos usados en los mismos recipientes.• No tallar los husillos con fibra, sólo enjuague con agua.•

2.2 Materiales

Vaso de precipitados de 600 ml. • Medidor Vernier.• Agitador de vidrio.• Viscosímetro Brookfield DV++ con accesorios.•

2.3 Sustancias

Aceite 500 ml (líquido 1). • Pintura vinil-acrílica 500 ml (líquido 2).•

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48

2.4 Servicios auxiliares

Corriente eléctrica de 110 volts.

2.5 Descripción del equipo

El equipo consta de un viscosímetro Brookfield rotacional digital (1) con soporte (2), husillo (3) (en presen-tación de diferentes tamaños) y termopar (4). Los tornillos de la base (5) se pueden girar para lograr una mejor nivelación del equipo.

2.6 Fotografía del equipo

1

2

3

4

5

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49

2.7 Desarrollo experimental

Preparación del equipo

Colocar el viscosímetro en su soporte según la figura, conectar a la corriente eléctrica sin 1. encender.

Conectar el cable del termopar al viscosímetro y sujetar el termopar al vaso con sustancia con 2. ayuda del clip.

Nivelar con la burbuja que está en la parte superior del viscosímetro, primero moviendo suave-3. mente la cabeza del mismo, y luego girando los tornillos de la base.

Colocar el husillo elegido anotando el número indicado en la parte superior del mismo.4.

Operación del equipo

Encender el viscosímetro oprimiendo el botón 5. ON/OFF de la parte trasera. Esperar a que se realice el Autocero, indicado en la pantalla.

Seguir las instrucciones que se muestran en la pantalla del viscosímetro, utilizando el cuadro de 6. flechas y oprimiendo suavemente el tablero digital.

Si en la pantalla aparece otro número de husillo al colocarlo, presionar 7. SELECT SPINDLE (SP) y con ayuda de las flechas UP o DOWN indicar el número del husillo. Volver a presionar SP. Sobre la pantalla se modificará el valor del número del husillo. Esto debe hacerse dentro de los prime-ros 5 segundos.

Page 59: Guión Experimental, LIQ 1

50

Si desea ver sobre la pantalla el valor obtenido de la viscosidad (cP), en lugar del % de torque, 8. presionar SELECT DISPLAY.

Si desea una velocidad previa del husillo, usar las flechas. Esta velocidad aparecerá a la derecha 9. de RPM y la velocidad actual (si el motor está encendido) aparecerá a la izquierda de RPM.

Para cambiar la velocidad del husillo presionar la tecla 10. SET SPEED. Se tomará la velocidad pre-via por la actual, así que deberá fijar otra velocidad previa si quiere cubrir el rango de veloci-dades que tiene el viscosímetro. Elegir el rango de velocidades de 0 a 100 RPM.

Detener el motor oprimiendo el botón 11. MOTOR ON/OFF.

Determine lo siguiente

Antes de iniciar realice un precorte al líquido, agitando suavemente con un agitador de vidrio por espacio de 1 min.

A. Bajar la cabeza del viscosímetro hasta sumergir el husillo según la marca del mismo en el líquido problema.

B. Con el motor apagado (MOTOR OFF) elegir una velocidad angular Ω inicial de 1 RPM. Encender el motor (MOTOR ON) y registrar el torque (%) y la viscosidad (cP). Incrementar las velocidades RPM hasta 100 y registrar los valores obtenidos en la tabla anexa.

C. Detener el MOTOR, elevar el husillo por arriba del líquido, dejar reposar por unos minutos la mues-tra líquida y realizar un precorte.

D. Repetir el paso (A), disminuyendo las velocidades de 100 a 1 RPM. Registrar los torques (%) y vis-cosidades (cP) obtenidas en la tabla anexa.

E. Parar el MOTOR, elevar la cabeza del viscosímetro y retirar el husillo.

F. Elegir la muestra 2, colocar el husillo adecuado en el viscosímetro y registrar su número.

G. Repetir los pasos (A) a (D) para la segunda muestra líquida.

Recomendaciones:

Procurar que no le entren demasiadas burbujas de aire al fluido cuando lo coloque en el • recipiente (¿por qué es necesario considerar esto?).

Sumergir el husillo en el fluido hasta su marca de inmersión.•

Considerar el husillo adecuado si para todo el rango de las velocidades se obtienen • lecturas de la viscosidad. Si aparece en la pantalla del viscosímetro “EEEE” o bien “-----” se debe elegir otra velocidad, o bien, cambiar el husillo.

Presionar MOTOR ON/OFF para apagar el motor, cada vez que se eleve o baje la cabeza • del viscosímetro.

El torque total (TTOT) del viscosímetro RV es de 7187.0 dinas/cm. •

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51

Paro del equipo

Oprimir el botón de paro 12. MOTOR OFF y apagar el viscosímetro (ON/OFF).

Elevar la cabeza del viscosímetro y retirar el husillo. 13.

Limpiar y lavar el husillo sólo con agua y jabón, sin fibra, secarlo bien. Medir el diámetro y espe-14. sor del plato.

Retirar y limpiar el termopar junto con el clip.15.

Desconectar el cable eléctrico de la corriente y retirarlo del viscosímetro.16.

Quitar la cabeza del viscosímetro del soporte y guardarlo en su caja con cuidado, junto con los 17. cables de corriente y el termopar.

Desarmar y guardar el soporte en su caja.18.

2.8 Información experimental

Tabla 1. Registro de datos

LÍQUIDO 1: No. de husillo: Radio y espesor del husillo:

T (°C) Ω (RPM)TORQUE (%) VISCOSIDAD (cP)

Corrida 1 Corrida 2 Corrida 1 Corrida 2

1

2

4

5

10

20

50

100

LÍQUIDO 2: No. de husillo: Radio y espesor del husillo:

T (°C) Ω (RPM)TORQUE (%) VISCOSIDAD (cP)

Corrida 1 Corrida 2 Corrida 1 Corrida 2

1

2

4

5

10

20

50

100

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52

3. CUESTIONARIO

De sus datos experimentales obtenidos, responder para cada líquido en cuestión:

1. Si la velocidad angular Ω aplicada de 1 rpm se duplica, ¿qué respuesta se obtiene del torque % T?

2. Si la velocidad angular Ω aplicada de 10 rpm se duplica, ¿qué respuesta se obtiene del torque % T?

3. Si la velocidad angular Ω aplicada de 50 rpm se duplica, ¿qué respuesta se obtiene del torque % T?

4. Dado el comportamiento anterior, ¿cómo se comporta el torque frente a la velocidad angular? Explicar con ayuda de una gráfica este comportamiento (Gráfica 1).

5. ¿Qué tendencia seguirá la razón de cambio del %T/ Ω frente a la Ω? Se puede decir que esta razón es constante frente a Ω? ¿Por qué? Reportar gráficamente este comportamiento (Gráfica 2).

6. Si el torque es función de la velocidad angular aplicada, ¿cómo se relaciona con el esfuerzo cortante que se aplica al fluido? Según sus observaciones experimentales, ¿cuál considera que será el área de contacto entre el husillo y el fluido? ¿Qué esfuerzos cortantes considera que apa-recen?

7. Por comparación de los dos líquidos, ¿diga a qué se debe que los dos fluidos describan al mo-verse diferentes patrones de flujo?

8. Obtener la velocidad de corte dVθ /dr (1/s) para cada fluido a partir de la relación del esfuerzo cortante y viscosidad Brookfield.

9. Representar en una gráfica (Gráfica 3) la relación que guarda el esfuerzo cortante (Dinas/cm2) a la velocidad de corte (1/s) para cada fluido. ¿Existe un cambio en la tendencia de los puntos con respecto a la Gráfica 1? ¿En la Gráfica 3 qué representa la pendiente de esta línea? Explique.

10. Proponer el modelo reológico empírico de cada fluido con base en las gráficas anteriores de esfuerzo vs Velocidad de corte.

11. Demostrar en forma gráfica para cada fluido que la razón de cambio del esfuerzo cortante a la velocidad de corte (Gráfica 4) será similar a la obtenida a la Gráfica 2. ¿Por qué es esto posible?

12. ¿En cuál de los líquidos no se presenta una dependencia de la viscosidad con la velocidad de corte?

13. ¿En cuál de los líquidos se presenta una mayor resistencia a fluir para bajas velocidades de corte?

14. ¿En cuál de los líquidos el esfuerzo cortante no presentará dependencia con velocidades de corte altas?

15. Dado el comportamiento observado de los líquidos en la Gráfica 4, ¿diga de qué tipos de fluidos se trata?

16. ¿Cuál líquido elegiría en el caso de querer ahorrar energía para moverlo a altas velocidades de corte?

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4. NOMENCLATURA

Ω Velocidad angular en (rpm)

T Torque en (Dinas/cm2)

h Viscosidad en (cP)

5. BIBLIOGRAFÍA

Bird, R., Steward, W., and Lightfood, E. • Transport Phenomena, John Wiley & Sons, 2nd Ed., New York, 2002.Barnes, H., Hutton, J. and Walters, K. • An Introduction to Rheology, Elsevier Science B.V., Amsterdam, 1989.Morrison, F.A. • Understanding Rheology, Oxford University Press, New York, 2001.

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Experimento 7Caídas de presión en tuberías lisas y regímenes de flujo

1. PROBLEMAS

Obtener la ecuación fenomenológica de la caída de presión, indicando los parámetros constantes corres-pondientes, para un flujo de agua que pasa por una tubería horizontal.

Determinar los factores de fricción que se presentan en flujos de agua que pasan por una tubería de 3/8” y longitud de 2 m para los regímenes de flujo obtenidos.

2. PARTE EXPERIMENTAL

2.1 Medidas de higiene y seguridad

El agua del tanque de almacenamiento debe estar limpia.

2.2 Materiales

Integrado al equipo.

2.3 Sustancias

Agua.

2.4 Servicios auxiliares

Corriente eléctrica de 110 volts.

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2.5 Descripción del equipo

El equipo consta de una tanque TA-10 para almacenamiento del agua, bomba de descarga BO-10 a las líneas de distribución del agua, dos rotámetros RVP-1 y RVR-2, un registrador de presión diferencial, un tablero de control y válvulas de paso del agua V-1 hasta V-41, sensor de nivel en el tanque de almacenamiento de agua CN, manómetros de presión P1 y P2.

2.6 Diagrama del equipo

2.7 Desarrollo experimental

Preparación del equipo

Verificar que el tanque de almacenamiento (TA-10) contenga agua limpia a unos 10 cm por 1. arriba del sensor de nivel (CN) manteniendo la válvula V-41 cerrada. Revisar que el equipo esté conectado al suministro de corriente 110 VCA. Girar la perilla de paro de emergencia para cerrar el circuito eléctrico en ON.

De acuerdo con la tubería que emplee, realice una alineación con el tanque y bomba abriendo 2. las válvulas de paso correspondientes (V-28 a V-35). Por ejemplo, si emplea la tubería 1 de 3/8”, debe alinear la tubería con el tanque de almacenamiento abriendo la válvula V-30 y V-35. Además debe abrir la válvula V-28 que sale del rotámetro RVR-1 o la válvula V-29 que sale del rotámetro RVR-2. La válvula de paso VR-1 sirve para regular el gasto que pase por la tubería.

Page 66: Guión Experimental, LIQ 1

57

Colocar las mangueras para la medición de la presión diferencial en la tubería de experimen-3. tación seleccionada y a la distancia deseada (0.5, 1, 1.5 o 2 m). Abrir las válvulas donde se han colocado las mangueras para la medición de la presión diferencial (V-1 a V-25) y asegurarse de que las demás estén cerradas.

Operación del equipo

Poner bajo tensión el equipo por medio del interruptor general (4. ON). Se deberá encender el botón luminoso verde del tablero energizado. Poner en funcionamiento la bomba por medio del botón de arranque ubicado en el gabinete de control.

Eliminar el aire atrapado en las mangueras de medición de la presión diferencial aumentando 5. el flujo con la válvula VR-1 y cerrando un poco la válvula de descarga al tanque (V-35 o V-36), según la tubería de experimentación elegida. Purgar manualmente abriendo las tuercas colo-cadas en la parte lateral izquierda del sensor de presión, cerrar nuevamente.

Una vez eliminado el aire de las mangueras, abrir de forma gradual y lenta la válvula V-35 o 6. V-36. Regular el flujo de agua con la válvula VR-1. Checar que a las mangueras no les entre aire. Si esto ocurre, vuelva a purgar.

Comenzar las lecturas de la presión diferencial indicadas sobre el tablero de control para cada 7. flujo de agua elegido y regulado con la válvula VR-1. Para cada cambio en la posición de las mangueras de medición de la presión diferencial es necesario purgar (paso 5) sin apagar la bomba.

Es conveniente siempre esperar unos minutos a que el flujo se encuentre completamente desa-8. rrollado para que la lectura registrada en los medidores de presión sea estable.

Se puede realizar la medición manual del flujo por medio de las válvulas V-38, V-39 o V-40 con 9. ayuda de un cronómetro, probeta de 2 litros y báscula. Tomar la temperatura del agua. Con-viene hacer esta medición en peso y corregir con valores de densidad para evitar que con las mediciones de volumen ocurran errores de paralelaje.

Determine lo siguiente

Región I

1.1 En la tubería de 3/8” colocar las mangueras de lectura de caída de presión a una distancia de 2.0 m. Anotar las caídas de presión que se presentan en un intervalo de flujo de 30 - 50 l/h. Se recomiendan incrementos de 10 l/h.

1.2 En la tubería de 1/2” fijar un flujo de agua de 100 l/h. Anotar las lecturas de caída de presión que se presentan en el intervalo de longitud de 0.5 a 2.0 m. Se recomiendan intervalos de 0.5 m.

1.3 Para una longitud de 2 m y velocidad de 1 m/s, anotar las lecturas de la caída de presión que se presentan en las tuberías 3/8”, 1/2” y 3/4”.

Page 67: Guión Experimental, LIQ 1

58

Región II

2.1 En la tubería de 3/8” colocar las mangueras de lectura de caída de presión a una distancia de 2.0 m. Anotar las caídas de presión que se presentan en un intervalo de flujo de 300 - 1200 l/h. Se recomiendan incrementos de 100 l/h.

2.2 En la tubería de 1/2” fije un flujo de agua de 800 l/h. Anotar las lecturas de caída de presión que se presentan en el intervalo de longitud de 0.5 a 2.0 m. Se recomiendan intervalos de 0.5 m.

2.3 Para una longitud de 0.5 m y velocidad de 0.1 m/s, anotar las lecturas de caída de presión que se presentan en las tuberías de 3/8”, 1/2” y 3/4”.

Reporte las siguientes gráficas para las regiones I y II:

Gráficas A1 y A2: Efecto de la velocidad del agua sobre la caída de presión, a diámetro y longitud de tubería constantes.

Gráficas B1 y B2: Efecto de la longitud de la tubería sobre la caída de presión a una velocidad y diámetro constantes.

Gráficas C1 y C2: Efecto del diámetro sobre la caída de presión a una velocidad de agua y longitud de tubería constantes.

Paro del equipo

Al terminar la experimentación, apagar la bomba BO-10 presionando el botón de paro bomba 10. que está sobre el tablero. Abrir las válvulas V-35, V-36 y V-37 para descargar el tanque. Abrir las válvulas V-27, V-28 y V-29 para asegurar que no quede atrapada agua al vaciar el tanque.

Presionar el botón tipo hongo de paro de emergencia. Apagar el equipo por medio del inte-11. rruptor general (OFF).

Dejar abierta la válvula reguladora de flujo.12.

Desconectar el equipo de la toma de corriente eléctrica.13.

2.8 Información experimental

Diámetros de las tuberías

TuberíaDiámetro nominal

(in)Diámetro interno

(m)Área (m2)

1 3/8 0.010744

2 1/2 0.013868

3 3/4 0.018847

4 1 0.024308

5 1 1/4 0.032461

Page 68: Guión Experimental, LIQ 1

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Tabla 1. Registro de datos.Temperatura del agua (°C):

Registro No.

Longitud (m)

Diámetro (m)

Flujo (l/h)

Velocidad (m/s)

Caída de presión (kPa)

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3. CUESTIONARIO

Primera parte

Con referencia a las Gráficas A1 y A2 responda lo siguiente:

1. ¿Es posible tener un cambio en la caída de presión si la velocidad del fluido es cero?

2. ¿Qué relación guarda la caída de presión con la velocidad? ¿Para cada intervalo constante de la velocidad se obtienen incrementos constantes en la caída de presión?

3. Obtener la dependencia de la caída de presión con la velocidad del fluido aplicando el mode-lo de la potencia.

Con referencia a las Gráficas B1 y B2 responda lo siguiente:

4. ¿Cómo varía la caída de presión para cada incremento constante de la longitud de la tubería?

5. Obtener la dependencia de la caída de presión con la longitud de la tubería, aplicando el mo-delo de la potencia.

6. Partiendo de la longitud de 1 m, diga en qué porcentaje se incrementa la caída de presión cuando la longitud se incrementa en un 10%. ¿En qué caso la caída de presión se ve más afec-tada?

Con referencia a las Gráficas C1 y C2 responda lo siguiente:

7. ¿Cómo varía la caída de presión con el incremento del diámetro de las tuberías?

8. Obtener la dependencia de la caída de presión con el diámetro, aplicando el modelo de la potencia.

9. Partiendo de un diámetro de 0.015 m, diga en qué porcentaje se incrementa la caída de presión cuando el diámetro se reduce en un 10%. ¿En qué caso la caída de presión se ve más afectada? ¿Cuál área de transferencia (longitudinal o transversal) tiene un impacto mayor sobre la caída de presión, según sus resultados de los incisos (6) y (9)?

10. Establecer la ecuación fenomenológica de la caída de presión, indicando los parámetros cons-tantes correspondientes:

(1)

(2)

11. ¿Qué dimensiones tienen KI y KII y qué propiedades físicas les corresponden? Considere I y II subíndices como región de baja y alta velocidad.

∆P K v L DIa b c=

∆P K v L DIIa b c=

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61

Segunda parte

12. Reescribir las ecuaciones (1) y (2) en función de las propiedades físicas obtenidas en el punto anterior. ¿Cuál ecuación es similar a la obtenida por Hagen y Poiseuille? ¿Es congruente este resultado con las ecuaciones de Navier y Stokes?

13. Expresar las ecuaciones (1) y (2) en función de los esfuerzos cortantes en la pared del tubo:

(3)

¿Qué nombre reciben las fuerzas que están involucradas en las ecuaciones resultantes, para cada región de flujo?

14. Realizar la razón de los esfuerzos cortantes en la pared, . ¿Qué nombre recibe el agrupa-miento de variables que se obtiene de esta razón? Calcúlelos para cada región de flujo, según los incisos 1.1 y 2.1 de las actividades experimentales. ¿A partir de estos valores puede identificar en qué región se tiene régimen laminar o turbulento? Graficar sus resultados.

15. Determinar los factores de fricción que se presentan para los flujos de agua que pasan por una tubería de 3/8” y longitud de 2 m para los regímenes de flujo obtenidos. Graficar sus resultados de f vs Re. Identificar las dos regiones.

(4)

4. NOMENCLATURA

DP caída de presión (kPa)

Ν velocidad promedio (m/s)

L longitud de la tubería (m)

D diámetro de la tubería (m)

τw esfuerzo en la pared (kPa)

ƒ factor de fricción

Re número de Reynolds

5. BIBLIOGRAFÍA

Bird, R., Steward, W. and Lightfood, E., • Transport Phenomena, John Wiley & Sons, 2nd Ed., New York, 2002.Vennard J. y Street R., • Elementos de Mecánica de Fluidos, Co. Editorial Continental, S.A., México, 1997.

τwP DL

= ∆

f w= τρυ 2

τ τwII

wI/

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Experimento 8Balance de materia y energía en un proceso de acondicionamiento de aire (psicrometría)

1. PROBLEMA

En un laboratorio de microbiología se desea una corriente de aire con una humedad relativa del 40% a una temperatura de 28°C. Realizar un estudio general del equipo de acondicionamiento de aire disponible y encontrar las condiciones de operación que cumplan con las características requeridas.

2. PARTE EXPERIMENTAL

2.1 Medidas de higiene y seguridad

Trabajar con una caída de presión mínima de 5 mmH• 2O en el manómetro inclinado. Mantener encendido el ventilador durante toda la operación del equipo, siendo el primero •en encenderse y el último en apagarse. Cuando el vaporizador esté en funcionamiento, tener cuidado de no tocar o acercarse •mucho al contenedor de agua, ya que puede provocar quemaduras. Mantener los termómetros de bulbo húmedo siempre empapados con agua destilada. •

2.2 Materiales

Cronómetro.•Psicrómetro.•Carta psicrométrica a 585 mmHg.•5 termómetros de bulbo seco.•2 termómetros de bulbo húmedo.•4 tapones de hule.•Probeta de 1 L.•Probeta de 100 mL.•

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2.3 Sustancias

Piseta con agua destilada.

2.4 Servicios auxiliares

Corriente eléctrica.

2.5 Descripción del equipo

Unidad de aire acondicionado para laboratorio P.A. Hilton LTD

El equipo consta de las siguientes secciones:

1. Sistema de aire

1.1. Ventilador con control de velocidad (reóstato) en la sección A.

1.2. Resistencias para calentamiento de aire en las secciones B y F, de 1 kW y 0.5 kW respectivamente. Cuentan con voltímetro y amperímetro en la parte posterior del equipo.

1.3. Humidificación con vapor en la sección C.

1.4. Medición del flujo de aire en la sección G con placa de orificio y manómetro inclinado de agua. El manómetro inclinado tiene una desviación de 0.25.

1.5. Orificios para colocar termómetros de bulbo húmedo y seco en las secciones D y G.

1.6. Manguera para agua condensada.

1.7. El ducto es de sección cuadrada de 254 mm de lado.

2. Sistema de refrigeración

2.1. Sección I, zona de condensación. Consta de: ventilador, secador, manómetro, rotámetro y termo pozo.

2.2. Sección II, zona de expansión. Integrada por: válvula de solenoide, válvula termostática de expansión y termo pozo.

2.3. Sección III, zona de evaporación. Compuesta por: sección E del ducto de aire, manómetro y termo pozo.

2.4. Sección IV, zona de compresión. Equipo compresor-condensador en la sección H de 0.5 H.P.

2.5. El refrigerante utilizado es Freón 12.

3. Vaporizador

3.1. Con tres resistencias de inmersión de 1.5 kW, de 200 V y 60 Hz.

3.2. Tanque de alimentación de agua.

3.3. Flotador para el nivel del agua.

3.4. Sección de alimentación de agua y sección de generación de vapor.

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65

2.6 Diagrama del equipo

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66

2.7 Desarrollo experimental

Preparación del equipo

1. Verificar que el vaporizador y el tanque de suministro tengan suficiente agua, de lo contrario llenar con agua destilada.

2. Colocar los tres termómetros del sistema de refrigeración.

3. Colocar dos termómetros de bulbo seco y dos termómetros de bulbo húmedo en las secciones D y G.

4. Humedecer la funda de los termómetros de bulbo húmedo antes de colocarlos en el equipo.

5. Colocar la probeta de 1 L debajo de la manguera de agua condensada.

6. Conectar el interruptor general de corriente y luego el interruptor del equipo.

7. Quitar el tapón que conecta a la atmósfera del manómetro inclinado.

Operación del equipo

Las tres corridas se realizarán con flujo de vapor constante.

Primera corrida. Flujo de aire variable

1. Encender el botón del ventilador y mover el reóstato a la posición deseada. Verifique que la lectura en el manómetro inclinado esté entre 5 y 9 mmH2O.

2. Encender los tres botones de las resistencias de inmersión y esperar a que ascienda el flujo de vapor. Esto se comprueba por un cambio de la medición de la temperatura de bulbo húmedo y bulbo seco en la sección D.

3. Operar el equipo manipulando el reóstato del ventilador a las condiciones de caída de presión recomendadas en la Tabla 1. A cada posición, realizar las mediciones indicadas y completar dicha Tabla.

Nota: Dejar que se estabilice el equipo 10 minutos antes de tomar cualquier medición.

Segunda corrida. Flujo de aire constante y calentamiento variable

4. Mover el reóstato del ventilador hasta tener una caída de presión entre 6 y 7 mmH2O.

5. Encender los botones de las resistencias de calentamiento de aire como señala la Tabla 2. Realizar las mediciones indicadas y completar dicha tabla.

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67

Tercera corrida. Flujo de aire variable y sistema de enfriamiento

6. Apagar todas las resistencias de calentamiento de aire.

7. Encender el sistema de refrigeración.

8. Operar el equipo manipulando el reóstato del ventilador a las condiciones de caída de presión recomendadas en la Tabla 3. A cada posición, realizar las mediciones indicadas y completar dicha Tabla.

Paro del equipo

1. Asegurarse de que todas las resistencias de calentamiento de aire estén apagadas.

2. Apagar el sistema de enfriamiento.

3. Apagar las resistencias de inmersión.

4. Dejar encendido el flujo de aire de 10 a 15 minutos, una vez terminados los pasos anteriores.

5. Regresar la posición del reóstato a cero y apagar el botón de encendido del ventilador.

6. Poner el tapón que conecta a la atmósfera del manómetro inclinado.

7. Desconectar el interruptor del equipo y luego el interruptor general de corriente.

2.8 Información experimental

Condiciones ambientales

Condiciones ambientales:

TBS =TBH=Ya=Ha=

Tabla 1. Corrida 1. Flujo de aire variable.

Posición del reóstatoDP

(mmH2O)

D G

TBS (oC) TBH (oC) TBS (

oC) TBH (oC)

5

6

7

8

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Tabla 2. Corrida 2. Flujo de aire constante y calentamiento de aire variable.

Número de resistencias encendidas

Voltaje (V)

Amperaje (A)

Posición del reóstato

ΔP (mmH2O)

D G

TBS

(oC)TBH

(oC)TBS

(oC)TBH oC)

1-B

1-B, 2-B

2-B, 1-F

1-B, 2-B, 2-F

Tabla 3. Corrida 3. Flujo de aire variable y sistema de enfriamiento.

Posición del reóstato

DP (mmH2O)

D GP1

(lb/in2)P2

(lb/in2)T1

(oC)T2

(oC)T3

(oC)

Flujo de refrigerante

(kg/h)TBS

(oC)TBH

(oC)TBS

(oC)TBH

(oC)

5

6

7

8

3. CUESTIONARIO

1. Definir los siguientes términos para una corriente de aire: temperatura de bulbo seco, tempe-ratura de bulbo húmedo, temperatura de rocío, humedad relativa, humedad absoluta, calor húmedo, volumen húmedo.

2. Para cada corrida, calcular con las ecuaciones proporcionadas en el anexo y con una carta de hu-medad, las humedades relativas en %, las humedades absolutas en kgagua/kgAS y el flujo de aire seco.

3. Elaborar las siguientes gráficas para la primera corrida en la sección G y explicar su comporta-miento:

humedad absoluta contra flujo de aire de entrada.a)

humedad relativa contra flujo de aire de entrada.b)

temperatura de bulbo seco contra flujo de aire de entrada. c)

4. Para la Tabla 1, calcular por balance de materia cuánto vapor de agua gana el aire para cada flujo de aire seco.

5. Elaborar las siguientes gráficas para la segunda corrida en la sección G y explicar su comporta-miento:

humedad absoluta contra número de resistencias de calentamiento de aire.a)

humedad relativa contra número de resistencias de calentamiento de aire.b)

temperatura de bulbo seco contra número de resistencias de calentamiento de aire.c)

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6. Elaborar las siguientes gráficas para la tercera corrida en la sección G y explicar su compor- tamiento:

humedad absoluta contra flujo de aire de entrada.d)

humedad relativa contra flujo de aire de entrada.e)

tempf) eratura de bulbo seco contra flujo de aire de entrada.

7. Calcular la humedad absoluta y humedad relativa de la zona D para la tercera corrida y com-pararlas con los resultados obtenidos en la zona G. ¿Qué diferencias encuentra entre estas dos zonas? Explíquelo.

8. Para la Tabla 2, calcular cuánta energía total en kJ/h gana la corriente de aire en la sección D y G.

9. Calcular la potencia W que suministran las resistencias de calentamiento en kJ/h y completar la Tabla 2.

10. Mediante un balance de energía, calcular para cada medición de la Tabla 2, cuánta energía es suministrada por el vapor de agua a la corriente de aire en kJ/h. En la Tabla 1 seleccionar el flujo de aire con el que se trabajó en la Tabla 2, y calcular cuánta energía es suministrada por el vapor de agua al aire. Comparar los resultados.

11. Con los resultados obtenidos de la pregunta anterior, calcular cuánta energía se pierde en el ambiente.

12. En el diagrama de Mollier para el freón 12 y con los datos obtenidos en la Tabla 3, trazar las eta-pas del sistema de refrigeración.

13. Para la Tabla 3, calcular la energía que gana el refrigerante utilizando el diagrama de Mollier para el freón 12 en kJ/h.

14. Calcular cuánta energía pierde el aire en kJ/h entre la sección D y G.

15. Comparar la energía que gana el refrigerante con respecto a la que pierde al aire. ¿Existe una diferencia? Explicar a qué se debe.

16. ¿Cuáles son las condiciones de operación del equipo de acondicionamiento de aire que satis-facen el problema? Con los resultados obtenidos en este experimento, ¿puede proponer otra operación del equipo con la que se encuentre la solución del problema? Explique su razona-miento.

17. En una carta psicrométrica, represente gráficamente la trayectoria del aire a través del equipo de acondicionamiento, según la respuesta de la pregunta 16.

18. Si para las condiciones de operación propuestas en la pregunta 16, se necesitara una tempera-tura menor manteniendo la humedad absoluta constante, ¿qué ajustes haría a las condiciones de operación del equipo? Explique su razonamiento.

19. Si para las condiciones de operación propuestas en la pregunta 16, se necesitara una humedad absoluta mayor manteniendo la temperatura constante, ¿qué ajustes haría a las condiciones de operación del equipo? Explique su razonamiento.

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4. NOMENCLATURA

TBS Temperatura de bulbo seco

TBH Temperatura de bulbo húmedo

DP Caída de presión

HA Entalpía del aire de entrada

YA Humedad absoluta del aire de entrada

5. BIBLIOGRAFÍA

Valiente, A. • Problemas de Balances de Energía, Primera Edición, Editorial Alhambra, 1981.Perry, R. • Manual del Ingeniero Químico, Tomo I, Sexta Edición, Mc Graw Hill, 1992.Himmelblau, D. • Balances de Materia y Energía. Cuarta Edición, Prentice Hall, México, 1988.Henley, E. • Cálculo de Balances de Materia y Energía. Editorial Reverté, México, 1993.Foust, A. • Principios de Operaciones Unitarias, Segunda Edición, Editorial Continental, México, 2006.

6. ANEXOS (ver también el anexo del guión 4)

6.1 Cálculo del flujo de aire seco AS

Q P G=181 65. ∆ ρ

Q = Flujo másico total en kg/h

ρG = Densidad de la corriente de aire a las condiciones de la sección G en kg/m3

DP = Caída de presión del manómetro inclinado en mmH2O

Utilizando esta ecuación se calcula el flujo de aire a las condiciones de la sección G

Para calcular el flujo de aire seco en la sección G es necesario corregir con la humedad

AS QYG

=+1

AS = Flujo de aire seco en kg/h

YG = Humedad absoluta de la sección G en kgagua/kgAS

6.2 Ecuaciones para el sistema aire-agua

y1 = Fracción mol del vapor de agua en el aire

(y1)sat = Fracción mol del vapor de agua en el aire a condiciones de saturación

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Y = Humedad (absoluta) = kg de vapor de agua en el aire / kg de aire seco

Ysat = Humedad (absoluta) a condiciones de saturación

P = Presión total absoluta (presión atmosférica)

P° = Presión de vapor del agua

PM2 = Masa molar (peso molecular) del aire = 29

PM1 = Masa molar (peso molecular) del agua = 18

Aire saturado:

YR = Humedad relativa en %:

Y P yP

yy

PP

PM YPM PM YR sat=

°=

( )=

( )( )+( )

100 100 1001 1

10

2

1 2

Propiedades

Aire: Cpaire = 1.005 kJ/kg °C

Agua: CpaguaV = 1.888 kJ/kg °C Cpagua

L = 4.191 kJ/kg °C

lT o= 2501.7 kJ/kg To = 0°C

CONSTANTES DE ANTOINE (Ecuación de presión de vapor del agua)

273 K < T < 353 K 353 K < T < 423 K

A 12.0426 11.7201

B 4030.178 3841.0929

C -38.043 -45.049

Presión de vapor ln P A BT C

° = −+

;P° en bar, T en K

y PP

Y PM PPM P P

sat sat1

1

2

( ) = ° = °− °( )

;

( )( )

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6.3 Línea de humidificación adiabática o línea de bulbo húmedo

(T, Y) son las condiciones iniciales del aire.

(Tsat, Ysat) son las condiciones del aire cuando se sigue una humidificación adiabática hasta saturación y deben cumplir la ecuación de saturación.

Tsat es igual a la temperatura de bulbo húmedo para el caso del sistema aire-agua

Cp Y Cp T T Cp Cp T T Yaire aguaV sat

o aguaV

aguaL sat

o+( ) −( ) = + − −( )l [ ][ ] −−( )Y sat

Despejando la humedad Y de la ecuación anterior se obtiene:

YY Cp Cp T T Cp T T

Cp

sato agua

VaguaL sat

o airesat

o

=+ − −( ) + −( )

+

l

l

[ ] [ ]

[ aaguaV

aguaL sat

o aguaV satCp T T Cp T T− −( ) + −( )] [ ]

Despejando la temperatura se obtiene:

T TY Y Cp Cp T T

Cp Y Cpsat

sato agua

VaguaL sat

o

aire ag

= +−( ) + − −( )

+

l [ ] [ ]

uuaV

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Manual de guiones experimentales del Laboratorio de Ingeniería Química IEditado por la Facultad de QuímicaSe utilizaron en la composición tipo

Avalon y Times New Roman puntaje 9 y 11 ptsTipo de impresión HTML

El cuidado de la edición estuvo a cargo deCME Brenda Álvarez Carreño.

La formación estuvo a cargo del departamento de Diseño y Medios Audiovisuales.Diseño de interiores: Maricela Hernández CasasolaDiseño de portada: DG Norma Castillo Velázquez

Publicación aprobada por el Comité Editorial de la Facultad de Química.

Julio 2013