FUNDAMENTOS QUIMICOS DE LA INGENIERIA

Transcripción

1 FUNDAMENTOS QUIMICOS DE LA INGENIERIA (BLOQUE DE INGENIERIA QUIMICA) GUION DE PRACTICAS DE LABORATORIO ANTONIO DURÁN SEGOVIA JOSÉ MARÍA MONTEAGUDO MARTÍNEZ

2 INDICE PRACTICA PAGINA BALANCE MACROSCÓPICO DE MATERIA EN RÉGIMEN NO ESTACIONARIO 3 BALANCE MACROSCÓPICO DE ENERGIA EN RÉGIMEN NO ESTACIONARIO 12 2

3 PRACTICA 1: BALANCE MACROSCÓPICO DE MATERIA EN RÉGIMEN NO ESTACIONARIO 3

4 BALANCE MACROSCÓPICO DE MATERIA EN RÉGIMEN NO ESTACIONARIO 1. OBJETO El objetvo de la práctca es aplcar el balance macroscópco de matera a un reactor contnuo de volumen constante del tpo tanque agtado, por el que crcula agua y al que, en un momento dado, se le ha añaddo una certa cantdad de sal. Se estudarán las desvacones del comportamento deal del tanque en funcón de la velocdad de agtacón. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO La expresón general para un balance de matera es la sguente: {Caudal de acumulacón de matera} = {Caudal de entrada de matera} - - {Caudal de salda de matera} + + {Caudal de generacón de matera} que tambén puede expresarse como: (1) {Caudal de acumulacón de matera} = {Caudal neto de entrada de matera} + + {Caudal de generacón de matera} (2) S se consdera un sstema como el de la fgura de la págna sguente, el balance de matera anteror aplcado al componente será: 4

5 dm dt N = m + R ( = 1,2...C) n=1 n, (3) donde: dm /dt: Varacón de la cantdad de componente m n, : R : en el sstema con el tempo. Caudal de componente que entra o sale del sstema con la corrente n. Cantdad de componente generado por undad de tempo en el sstema, debdo a una o varas reaccones químcas (en general r reaccones) en las que ntervene. En el sumatoro de la ecuacón (3) se adoptará el sgno (+) para las correntes de entrada y el sgno (-) para las de salda. C componentes N correntes Reactor contnuo de tanque agtado funconando dealmente Un reactor contnuo de tanque agtado es, báscamente, un recpente por el que crcula un caudal de fludo m, y en cuyo seno el fludo se encuentra perfectamente agtado de manera que, en un momento dado, todos los puntos del msmo poseen déntcas propedades, varando éstas con el tempo. S se aplca el balance macroscópco de matera a un tanque agtado de volumen constante (caudal volumétrco de entrada = caudal volumétrco de salda) donde no ocurre reaccón químca, el balance (3) se puede expresar como: 5

6 dm dt -(m - m ) = 0 1, 2, (4) donde (m 1, - m 2, ) es la dferenca entre los caudales máscos de entrada y salda del componente, y M la masa del componente dentro del tanque de volumen V en un momento dado. S se tene en cuenta: (1) Que la dferenca entre los caudales de entrada y salda puede expresarse como: m1, - m 2, =Q(C1, - C 2, ) (5) donde Q es el caudal volumétrco que fluye a través del sstema (y que se supone constante) y C 1, y C 2, son, respectvamente, las concentracones de componente a la entrada y salda del msmo. (2) Que la masa de componente dentro del volumen V es: M = V C dv (6) y por tanto: dm dt = C dv dt +V dc dt (7) donde c es la concentracón de componente en el tanque. El balance (4) quedará de la sguente forma: Q( C - C )+V dc 2, 1, dt = 0 (8) ecuacón que, una vez ntegrada, permte obtener la funcón C = C (t) que expresa la varacón de la concentracón del componente en el tanque con el tempo. 6

7 S se supone que por el reactor contnuo de tanque agtado crcula un caudal constante de agua y que, en un momento dado, se ntroduce en el msmo una certa cantdad de componente ; al ntegrar la ecuacón (8) para determnar la varacón de la concentracón del componente dentro del tanque con el tempo, debe tenerse en cuenta: (a) que la concentracón del componente a la salda es la msma que la concentracón del componente dentro del tanque, es decr, C 2, = C. (b) que la concentracón del componente en el caudal de entrada es cero. Por tanto podrá escrbrse: QC +V dc dt = 0 (9) dc C = -Q V dt (10) C C o t C = -Q V dt 0 dc (11) C ln Co = - Q V t (12) C = Co exp - Q V t (13) donde C o es la concentracón de componente en el tanque en el tempo t=0. 7

8 3. INSTALACIÓN EXPERIMENTAL En la fgura se presenta esquemátcamente la nstalacón expermental. Consta de un tanque agtado con una entrada en la parte superor, por donde se ntroduce el agua, y dos saldas laterales. La salda lateral superor servrá para segur la varacón de la concentracón con el tempo; la nferor para vacar el tanque de agua una vez regulado el caudal Tanque agtado 2. Entrada de fludo 3. Llave de paso salda de fludo 4. Llave de vacado 5. Vaso de precptados de 25 ml 6. Agtador magnétco 7. Electrodo del conductímetro 8. Conductímetro 9. Imán 8

9 4. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO 4.1 Materales - Cloruro sódco - Recpente de vdro - Conductímetro - Agtador magnétco - Imán para el agtador - Vasos de precptados - Matraz aforado de 100 ml - Probetas - Cronómetro Calbrado del conductímetro Con le fn de conocer la varacón de la concentracón de sal en el tanque con el tempo se analzará la conductvdad del líqudo de salda. Para ello será necesaro calbrar prevamente el conductímetro en la forma que se descrbe a contnuacón. Prmero se preparan los patrones pesando 1, 2 y 4g de cloruro sódco y dsolvéndolos con agua para por últmo enrasar en un matraz aforado de 100 ml. Así las concentracones ncales serán de 10, 20 y 40 g/l respectvamente. A contnuacón se mde la conductvdad de estas tres dsolucones. Para ello se ntroducen los electrodos del conductímetro en el vaso de precptados que contene las dsolucones patrón, procurando que el líqudo cubra los electrodos totalmente. Esta operacón debe repetrse varas veces con las dsolucones patrón para evtar lecturas falsas como consecuenca de que en el conductímetro queden restos de dsolucones anterores. Se debe medr tambén el valor de la conductvdad del agua del grfo, valor que se tomará como conductvdad a concentracón cero. 9

10 Conocdo el valor de la conductvdad de las dstntas dsolucones patrón será posble representar gráfcamente la conductvdad frente a la concentracón, obtenéndose así la curva de calbrado. Método operatvo a) Se llena el tanque hasta que empece a rebosar por la salda superor b) Se pesa en un vaso de precptados la cantdad de cloruro sódco necesara para tener ncalmente en el tanque una concentracón de 30 g/l. Es decr Peso = 30 V gramos, donde V está expresado en ltros. Se llena el vaso con agua y se conecta el agtador hasta que se dsuelve la sal. c) Se abre el grfo fjando un caudal de l/h en el rotámetro, ncando al msmo tempo el cronómetro. d) Se tomarán meddas de conductvdad hasta que ésta llegue a su valor mínmo. Las prmeras meddas se deben tomar cada 30 segundos después se rán espacando en el tempo de acuerdo a como varíe la conductvdad. La experenca se puede repetr a dferentes velocdades de agtacón o caudales de agua (consultar con el profesor de práctcas). 10

11 RESULTADOS La concentracón de las muestras tomadas en el últmo apartado se determnará con ayuda de la curva de calbrado obtenda. Con esos valores se elaborará una tabla que recoja la varacón de la concentracón de sal con el tempo. Después se representarán ln C Sal frente al t y se obtendrá, de acuerdo con la ecuacón (13), una recta de pendente -Q/V y de ordenada en el orgen ln[c sal ] t=0. 6. DISCUSIÓN a) Justfcar las dferencas entre los valores expermentales y el comportamento teórco. b) Analzar las fuentes de error en la expermentacón. c) Responder a las sguentes cuestones: - Afecta la hpótess de mezcla completa a la comparacón entre los resultados expermentales y el comportamento teórco? - Que sgnfcado debe darse al cocente V/Q? - Como afecta la velocdad de agtacón a los resultados? 11

12 PRACTICA 2: BALANCE MACROSCÓPICO DE ENERGIA EN RÉGIMEN NO ESTACIONARIO 12

13 BALANCE MACROSCÓPICO DE ENERGÍA 1. OBJETO El objeto de esta práctca es comprobar expermentalmente la ecuacón de balance de calor, analzando las posbles dscrepancas y fuentes de error. Se comprobará tambén que el estado estaconaro (T = cte) no depende de las condcones ncales del sstema, pero que sí depende de ellas el tempo que tarda en alcanzarse. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO La expresón del balance macroscópco de energía en un sstema dado es: Entrada Salda = Generacón + Acumulacón En el caso de un tanque agtado de volumen constante (caudal de entrada = caudal de salda) que se calenta medante una resstenca eléctrca de potenca q, d[ MC dt p T] = mc p (T 1 - T)+ q donde, m 1 = m 2 = m (caudal másco entrada = caudal másco salda), (g/s) C p1» C p2» C p (capacdad calorífca del agua» cte), (cal/g C) T 2 = T (temperatura del agua a la salda = temperatura del agua contenda en el tanque perfectamente agtado), ( C) T 1 = Temperatura del agua a la entrada, ( C) M = Masa constante del agua contenda en el tanque), (Kg) q = Potenca de la resstenca, (cal/s). 13

14 Separando varables e ntegrando se obtendrá una ecuacón para expresar la varacón de temperatura con el tempo: MC dt p p 1 dt = mc (T -T)+q T T dt q+mc (T -T) = p 1 0 t dt MCp 1 - mc p [ ln p 1 ] T [q+mc (T -T)] = 1 MC [t ] T p t 0 ln q+ mc p(t1- T ) q+mc (T -T) = m M t p 1 En estas ecuacones T es la temperatura ncal del agua del baño. La últma ecuacón permte determnar la temperatura del estado estaconaro. Expermentalmente se observará que no se alcanza dcho estado a la temperatura calculada teórcamente sno a una temperatura nferor, debdo a las pérddas de calor al ambente. S el sstema está ben aslado, los resultados deben ser smlares. 3. INSTALACIÓN EXPERIMENTAL 14

15 La nstalacón expermental se esquematza en la fgura. Consta báscamente de un reactor tpo tanque agtado con cuatro saldas, tres en la tapa del reactor y una en la pared. Dos de las saldas superores se utlzan para colocar la resstenca y el termómetro, la tercera srve para ntroducr el agua en el reactor. La salda nferor se utlza para elmnar el agua del recpente (1) Imán 2 1 (2) Resstenca (3) Termómetro (4) Agtador magnétco 4 (5) Entrada fludo (6) Salda fludo 4. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO 4.1 Materales - Recpente con entrada y salda de agua - Resstenca eléctrca - Agtador magnétco - Imán para el agtador - Termómetro (0-50 C) - Cronómetro - Probeta 1l 15

16 4.2 Procedmento a) Anotar la temperatura ambente y la temperatura del agua del grfo. b) Llenar con agua el recpente de vdro hasta que rebose. c) Toma de datos en reactor dscontnuo de tanque agtado Conectar la resstenca y calentar el líqudo hasta que alcance aproxmadamente 45 C (T 1 ), tomando lectura de la temperatura cada 30 segundos. Anotar la varacón de la temperatura con el tempo en la tabla 1. d) Toma de datos en reactor contnuo de tanque agtado. (Enframento) Sn desconectar la resstenca se hace pasar por el recpente un caudal constante de agua, tomando lectura de la temperatura cada 30 segundos hasta alcanzar el estado estaconaro (T est ). Los datos temperatura-tempo se anotan en la tabla 2. 16

17 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN - Calcular la potenca de la resstenca - Construr una tabla con los valores teórcos de las dos temperaturas para cada tempo. - Representar gráfcamente las curvas teórcas de calentamento (gráfco 1) y enframento (gráfco 2). - Representar los datos obtendos expermentalmente sobre cada gráfco correspondente de los anterores. - Comprobar que el estado estaconaro no depende de las condcones ncales del sstema, pero que el tempo que tarda en alcanzarse sí depende de dchas condcones. - Comprobar s expermentalmente no se alcanza el estado estaconaro a la temperatura calculada teórcamente sno a una temperatura nferor. Comentar y dscutr los resultados obtendos, analzando las posbles dscrepancas y causas de error. 17