MODELADO FÍSICO DE PROCESOS METALÚRGICOS Y DE MATERIALES SEMESTRE DR. BERNARDO HERNÁNDEZ MORALES

Transcripción

1 MODELADO FÍSICO DE PROCESOS METALÚRGICOS Y DE MATERIALES SEMESTRE DR. BERNARDO HERNÁNDEZ MORALES TIEMPO DE MEZCLADO LOCAL EN UN MODELO FÍSICO DE UNA OLLA AGITADA POR INYECCIÓN DE GAS GUION DE TRABAJO EXPERIMENTAL INFORMACIÓN La olla es un reactor metalúrgico, de geometría cilíndrica, fabricado con acero y revestido con una capa de ladrillo refractario. Se utiliza tanto para transferir acero líquido al sistema de colada continua como para realizar procesos de refinación secundaria del acero, también conocida como metalurgia de la olla. Para ello se insufla un gas inerte en el baño metálico por la base de la olla a través de tapones porosos. El objetivo de la inyección del gas es el promover una buena circulación y un eficiente mezclado del metal líquido dado que esto impacta directamente a las reacciones químicas de refinación y a la homogeneización térmica del baño metálico. Una cantidad de interés para caracterizar la eficiencia de este tipo de reactores es el tiempo de mezclado local, que puede obtenerse mediante la respuesta a la adición, en pulso, de un trazador. OBJETIVO Cuál es la combinación de posición de boquilla y flujo volumétrico de aire requeridos para alcanzar un tiempo de mezclado local de 100 s (para una pareja de puntos de inyección y de medición del trazador fija) en un modelo físico de 35 cm de diámetro x 40 cm de altura, cuando se utiliza un baño de agua de 25 cm de profundidad?

2 MATERIALES Y EQUIPO Modelo físico de una olla agitada por inyección por el fondo: recipiente de acrílico de 35 cm de diámetro x 40 cm de altura, con 3 boquillas de 1/16 de diámetro, localizadas en la base del modelo en tres posiciones (r = 0 cm, r = 6 cm, r = 12 cm) Trazador: 135 ml de una disolución acuosa (1:1) de H 2 SO ml de una disolución acuosa (1:1) de NaOH 1100 L de agua 20 ml de solución buffer de ph 4 20 ml de solución buffer de ph 7 Jeringas de 5 ml Pizeta con agua destilada Frascos de vidrio Vaso de precipitados Dos soportes universales Dos pinzas para soporte universal Compresora Rotámetro para aire (escala 1 a 5 SCFH) Mangueras y conexiones para aire ph-metro (con puerto de comunicación y compensación por temperatura) Laptop Software de adquisición de datos

3 PARTE I PROCEDIMIENTO 1. Calibra el ph-metro de acuerdo al instructivo del equipo. 2. Instala la conexión de aire a la boquilla central del modelo físico y comienza a circular aire a un flujo volumétrico de 5 SCFH. 3. Llena el modelo físico con agua hasta una altura de 25 cm. 4. Coloca los sensores del ph-metro de tal manera que puedas medir el ph en una posición a 5 cm de profundidad con respecto a la superficie del baño y cerca de la pared del modelo, sujetándolos con un soporte universal y pinza. 5. Registra el ph inicial. 6. Llena una jeringa (sin aguja) con 3 ml del trazador. 7. Inicia el software de adquisición de datos. 8. Selecciona el nombre del archivo y otros parámetros de adquisición. 9. Coloca la jeringa en una posición a 180 de donde se encuentra el electrodo del phmetro, con la punta de la jeringa justo arribo del baño líquido, sujetándola con un soporte universal y pinza. 10. Inicia la adquisición de datos. 11. A un tiempo predeterminado, adiciona el trazador lo más rápidamente posible. 12. Detén la adquisición de datos cuando lo consideres adecuado. 13. Mantén la agitación del baño y agrega, poco a poco, 6 ml de la disolución básica al agua (utilizando una jeringa) hasta que neutralices el agua, antes de desecharla. 14. Lava el electrodo del ph-metro. 15. Obtén esta medición por triplicado, comenzando siempre con agua fresca. 16. Repite este procedimiento, desde el paso 2 al 13, para un flujo volumétrico de 1 SCFH. 17. Repite todo el procedimiento, utilizando una de las otras posiciones de la boquilla a la vez.

4 CUESTIONARIO 1. Cuándo consideraste que la disolución de ácido sulfúrico había sido completamente mezclada en el punto de medición? 2. Describe la respuesta del sistema, esto es, la forma de la curva ph vs. tiempo A partir de las mediciones: cómo se podrá estimar la magnitud del tiempo de mezclado local? 4. Estima el valor promedio del tiempo de mezclado local para cada uno de los experimentos, así como su desviación estándar. 5. Grafica el valor promedio del tiempo de mezclado local en función del flujo volumétrico de aire, indicando la desviación estándar. 6. Qué relación existe entre el tiempo de mezclado local y el flujo volumétrico de aire? 7. Grafica el valor promedio del tiempo de mezclado local en función de la posición de la boquilla, indicando la desviación estándar. 8. Qué relación existe entre el tiempo de mezclado local y la posición de la boquilla? 1 Para pasar del valor de tiempo máquina (que es el que graba el software de adquisición de datos) a un valor numérico en Microsoft Excel utiliza, por ejemplo para la celda C4 y considerando una frecuencia de adquisición de 1 s -1, la operación: C4/HORANUMERO("00:00:01.0") y asegúrate que el formato de la celda sea numérico y con al menos 2 posiciones decimales.

5 PARTE II PROCEDIMIENTO 1. Calibra el ph-metro de acuerdo al instructivo del equipo. 2. Instala la conexión de aire a una boquilla de interés del modelo físico y comienza a circular aire a un flujo volumétrico de interés. 3. Llena el modelo físico con agua hasta una altura de 25 cm. 4. Coloca los sensores del ph-metro (en la misma posición que en la PARTE I) sujetándolos con un soporte universal y pinza. 5. Registra el ph inicial. 6. Llena una jeringa (sin aguja) con 3 ml del trazador. 7. Inicia el software de adquisición de datos. 8. Selecciona el nombre del archivo y otros parámetros de adquisición. 9. Coloca la jeringa en la misma posición que en la PARTE I, sujetándola con un soporte universal y pinza. 10. Inicia la adquisición de datos. 11. A un tiempo predeterminado, adiciona el trazador lo más rápidamente posible. 12. Detén la adquisición de datos cuando lo consideres adecuado. 13. Mantén la agitación del baño y agrega, poco a poco, 6 ml de la disolución básica al agua (utilizando una jeringa) hasta que neutralices el agua, antes de desecharla. 14. Lava el electrodo del ph-metro. 15. Obtén esta medición por triplicado, comenzando siempre con agua fresca. 16. Repite este procedimiento, desde el paso 2 al 13, para otras combinaciones de flujo volumétrico y posición de la boquilla.

6 CUESTIONARIO 1. Estima el tiempo de mezclado local para cada uno de los experimentos. 2. Grafica el valor promedio del tiempo de mezclado local en función del flujo volumétrico de aire y de la configuración de la boquilla, indicando la desviación estándar. 3. Cuál es la combinación de posición de boquilla y flujo volumétrico de aire requeridos para alcanzar un tiempo de mezclado local de 100 s (para una pareja de puntos de inyección y de medición del trazador fija) en un modelo físico de 35 cm de diámetro x 40 cm de altura, cuando se utiliza un baño de agua de 25 cm de profundidad.