INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI

Transcripción

1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI ÁREA DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOQUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA AMBIENTAL LABORATORIO INTEGRAL I MANUAL DE PRÁCTICAS MEXICALI, B.C., JUNIO 2008

2 Al estudiante: Este curso tiene la finalidad de que usted adquiera experiencias prácticas en la obtención de parámetros que intervienen en los fenómenos de transporte y en el flujo de fluidos en un ambiente controlado de laboratorio. Por lo tanto, antes de cursarlo usted debe conocer los principios básicos de transferencia de calor y masa, y de flujo de fluidos; es decir, que debe haber llevado Fenómenos de Transporte I, al menos. Asimismo, es necesario que sepa utilizar algún paquete de graficación y principios fundamentales de análisis de datos para el adecuado tratamiento de los datos y la interpretación de los resultados. Las prácticas que se llevarán al cabo, requerirán de algunos de los equipos con los que cuenta el laboratorio de Química del ITM, sin embargo, algunas prácticas requirirán planearse desde el diseño del equipo para su realización. El soporte teórico, el equipo necesario, procedimiento, obtención de los datos, el análisis de los mismos, confrontación con la teoría y las conclusiones deben escribirse y entregarse en dos partes, un pre reporte y un reporte. El pre reporte se refiere a la información que usted debe obtener para la realización de la práctica, de forma que ésta se lleve a cabo con una idea clara del tema y el objetivo que se busca, con conocimiento del equipo que se va a utilizar, los materiales o reactivos requeridos, el procedimiento que se utilizará y las herramientas matemáticas y de paquetería que se requerirán para el análisis, entre otros aspectos. Por otro lado, el reporte debe ser el documento que muestre el trabajo de conjunto realizado por el equipo, los resultados obtenidos, la interpretación de ellos y las conclusiones en base a la literatura o a otras prácticas realizadas. Estas conclusiones deben ser en algún modo una autocrítica del trabajo realizado o bien, un cuestionamiento de los aspectos teóricos contrastadas con la práctica. Este reporte incluirá algunos de los aspectos del pre reporte, las sugerencias o correcciones que haya propuesto el profesor, los resultados, conclusiones y propuestas. Ambos partes del trabajo deben realizarse con el conocimiento y la participación de todos los integrantes, es decir, con aportaciones de todos, cuidando la presentación, la ortografía, la redacción, la claridad en las explicaciones, el uso adecuado de gráficas que enriquezcan la información o la presentación de resultados (el significado de adecuado quiere decir que no siempre se deben usar, y cuando se usen, debe hacerse con las unidades y el tipo adecuados de gráfica que ayude a la interpretación de resultados), y la inclusión de todos esos elementos de originalidad que se hayan desarrollado durante la preparación de la práctica, durante ella o en la interpretación de los resultados.

3 A continuación se plantea el objetivo de este laboratorio, las asignaturas que debiera cursar antes de este laboratorio, algunas actividades que permitirán el logro del objetivo del curso, los elementos que debe incluir el pre reporte y el reporte, y finalmente, una descripción de cada práctica, la cual incluye el o los objetivos, el equipo a utilizar, algunas preguntas guía para la construcción del marco teórico y ciertas consideraciones para la realización de la práctica. El desarrollo de la práctica, la forma de construir el equipo (si es el caso), el número de mediciones, etc., se decidirá entre los integrantes del equipo, asesorados por el profesor. Que este manual le ayude a desarrollar sus habilidades en el trabajo de laboratorio, en la obtención de información, en el trabajo en grupo y en el análisis de resultados, aspectos relevantes en la formación de un ingeniero químico. Este trabajo ha sido realizado con las aportaciones de varios compañeros profesores y varios de sus elementos fueron de tomados del Manual de los Laboratorios de Fenómenos de Transporte editado por Alberto Soria López de la Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa (2003).

4 OBJETIVO GENERAL DEL CURSO Desarrollará la capacidad de la obtención de datos experimentales y su interpretación para la comprobación de las teorías expuestas en Fenómenos de Transporte y temas de flujo de fluidos. APRENDIZAJES REQUERIDOS. Para llevar este curso es importante que el estudiante tenga conocimientos básicos de las siguientes áreas. Fenómenos de Transporte Análisis y diseño de experimentos Manejo de paquetes gráficos y estadísticos Flujo de fluidos Métodos numéricos Flujo de calor ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE. En este curso se pretende que el estudiante alcance el objetivo del curso a partir de la realización de las siguientes actividades. Planear y desarrollar el diseño de experimentos que minimicen el número de corridas para identificar correctamente las variables involucradas. Graficar los puntos experimentales y sus intervalos de confianza. Determinar modelos que interpreten los datos obtenidos y su conexión con la teoría. Investigar en un número suficiente de fuentes de información el sustento teórico de cada práctica. Presentar los resultados obtenidos en formato preestablecido que contenga entre otras cosas, el procedimiento, el análisis de los resultados y las conclusiones.

5 INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIÓN DE PRE REPORTES Objetivo Tener evidencias de que los equipos se han preparado adecuadamente para la elaboración de la práctica, es decir, que han buscado la información teórica suficiente, han estudiado el equipo que van a utilizar, han entendido lo que van a hacer y lo que van a obtener. Pre reporte A continuación se describen los elementos del pre reporte, bajo el supuesto de que sea escrito con buena ortografía, claridad y de que es el fruto de un trabajo en grupo, producto del consenso de todos los integrantes Contenido 1. Portada. Debe incluir: Escuela, carrera, asignatura, la palabra PRE REPORTE, número de práctica y nombre, número del equipo y nombre de los integrantes (SIN NÚMEROS DE CONTROL), nombre del profesor y fecha de entrega del prereporte. 2. Índice. Enumerar las secciones y subsecciones. 3. Objetivos. Serán enunciados por los integrantes del equipo desde su propia perspectiva según la práctica de que se trate. Deben ser claros y breves. 4. Motivación. Se describirá una situación de interés en la profesión del ingeniero químico, por la cual es importante el desarrollo de esta práctica. Este elemento debe mostrar el grado de comprensión de los objetivos de la práctica por parte de los alumnos, así como la información con la que cuentan acerca de las posibles actividades que realizarían al ejercer esta profesión. 5. Fundamento teórico. El equipo. Descripción del equipo necesario para la práctica. Fenómeno físico simplificado. Mención del fenómeno físico que domina en la práctica, cuyas leyes, principios o teorías se considerarán en el desarrollo. Hipótesis. Planteamiento de todos los supuestos bajo los cuáles se está proponiendo la práctica, considerando la teoría al respecto. Mención de aspectos tales como: suponer un objeto esférico sumergido, un tubo de longitud infinita, un sistema aislado, un líquido en reposo, etc. Modelo matemático. Descripción matemática del problema asociado con la práctica, a saber, notación que se usará para las diferentes cantidades físicas, ecuaciones que las relacionan, etc. Hacer un diagrama del sistema de que se esté hablando y relacionarlo con las

6 variables involucradas. 6. Diseño de la práctica. Variables y parámetros. Identificación de las variables que se van a medir y los parámetros o cantidades que es necesario conocer o calcular, así como la forma de obtener la información de cada una de estas cantidades físicas. Incluir las referencias según las cuales hará las correlaciones entre cantidades medibles y calculadas y la precisión con la que se tomarán los datos y se harán los cálculos (un decimal, dos decimales, etc.). Hoja de datos. Elaboración en una hoja del formato que se utilizará para anotar los datos que se obtengan. En ella debe especificarse el nombre de la práctica, la fecha, las cantidades medidas y las calculadas, el número de repeticiones, etc. Una copia de esta hoja ya terminada, deberá entregarse al profesor el día de la práctica. Equipo y materiales. Elaboración de una lista del equipo y materiales necesarios para el desarrollo de la práctica. Desarrollo de la práctica. Elaboración de una lista secuencial de los pasos a seguir, tratando de ser específicos en los detalles que deben cuidarse, pero sin ser demasiado rigurosos, sólo en aquéllos que se consideren importantes en el desarrollo de la práctica. 7. Referencias. Inclusión de todas las referencias que se utilicen para la justificación teórica de la práctica. Libros, artículos, páginas de internet. Toda fuente que le haya aportado algún elemento para la realización del trabajo experimental.

7 INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIÓN DE REPORTES Objetivo Mostrar que los integrantes de cada equipo han desarrollado todo un conjunto de actividades de planeación, investigación, experimentación, obtención de datos, cálculo de variables, interpretación y elaboración de conclusiones, incluyendo la validez de sus resultados confrontados con la teoría o incluso, la validez de la teoría en base a las evidencias experimentales, además de las posibles sugerencias para mejorar el desarrollo de la práctica. Reporte A continuación se describen los elementos del reporte, que en buena parte, son elementos del pre reporte, añadiendo las correcciones o sugerencias que el profesor haya hecho, sin embargo, se incorporan las secciones relativas a la realización del experimento y el tratamiento posterior de la información obtenida. Los elementos marcados con asterisco ya fueron descritos en el pre reporte. Contenido 1. Portada *. 2. Resumen. 3. Índice *. 4. Objetivos *. 5. Fundamento teórico *. El equipo *. Modelo físico simplificado *. Hipótesis *. Modelo matemático *. 6. Diseño de la práctica *. Variables y parámetros *. Hoja de datos *. Equipo y materiales *. Desarrollo de la práctica *. 7. Realización de la práctica. Mediciones. Inclusión de la hoja de datos con la información completa de las mediciones realizadas. Observaciones. Descripción de aquellos aspectos imprevistos que el equipo haya encontrado en el desarrollo de la práctica y que sean

8 relevantes para la interpretación de los resultados. 8. Análisis de datos y resultados. Tratamiento de las mediciones de laboratorio para la obtención de los parámetros especificados al principio del trabajo. Cálculos. Transcripción de la información de la hoja de datos a una hoja de Excel y realización de las operaciones necesarias, según las ecuaciones desarrolladas a partir del modelo. Análisis estadístico y resultados. Realización del análisis estadístico pertinente considerando las repeticiones y las cifras significativas según la escala de los instrumentos, cuidando de reportar con un intervalo de confianza del 95%. Gráficas. En caso de ser necesario, elaboración de gráficas en Excel con los datos obtenidos (observados y calculados) incluyendo sus incertidumbres y confrontándolos con los valores teóricos. Discusión y conclusiones. Exposición de las ideas generadas por todos los integrantes, a partir de la confrontación de los resultados con la teoría o con los resultados de otros experimentos similares. Las conclusiones deben hacerse con una actitud crítica y autocrítica. Sugerencias y recomendaciones. Planteamiento de aquellos aspectos que pueden mejorar el desarrollo del experimento. 9. Referencias *. 10. Apéndices. Si el equipo lo cree necesario, cuando exista alguna información que suponga importante como complemento para su trabajo, pero que debido a su extensión no se pudiera ubicar en alguno de los puntos anteriores, considerar su inclusión en el apéndice.

9 ÍNDICE DE PRÁCTICAS UNIDAD 1 TEMAS MOMENTUM, CALOR, MASA Y FLUJO DE FLUIDOS SUBTEMAS 1.1 MOMENTUM 1. MEDICIÓN DE VISCOSIDADES 2. EXPERIMENTO DE REYNOLDS 3. DETERMINACIÓN DE PERFILES DE VELOCIDAD EN FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO 4. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE CORRELACIONES PARA EL FACTOR DE FRICCIÓN EN TUBOS LISOS Y RUGOSOS 5. DETERMINACIÓN DE PÉRDIDAS DE CARGA EN ACCESORIOS Y VÁLVULAS 1.2 CALOR 1. MEDICIÓN DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA 2. MEDICIÓN EXPERIMENTAL DE COEFICIENTES GLOBALES DE TRANSFERENCIA DE CALOR 3. CORRELACIONES PARA COEFICIENTES DE PELÍCULA EN EQUILIBRIO 4. DETERMINACIÓN DE PERFILES DE TEMPERATURA 5. DETERMINACIÓN DE EFICIENCIA DE SUPERFICIES EXTENDIDAS 1.3 MASA 1. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LOS COEFICIENTES DE DIFUSIÓN GASEOSA EN CELDAS DE ARNOLD 1.4 FLUJO DE FLUIDOS 1. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DE UNA BOMBA 2. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA 3. DETERMINACIÓN EXPERMENTAL DE LA CAÍDA DE PRESIÓN EN UN FILTRO 4. DETERMINACIÓN DEL ÁNGULO DE DESLIZAMIENTO Y REPOSO

10 1.1 MOMENTUM PRÁCTICA 1. MEDICIÓN DE VISCOSIDADES Comprender el fenómeno de la viscosidad y los factores que influyen en ella. Obtener la viscosidad de diferentes sustancias a partir de la correlación entre revoluciones por minuto del cilindro interior del viscosímetro con la viscosidad de la sustancia. Observar la depedencia de la viscosidad con la temperatura. El equipo básico para esta práctica es el viscosímetro de cilindros concéntricos. Debe utilizarse el manual respectivo para la conversión de los datos útiles, a partir de los datos medibles. 1. Cómo se define un fluido newtoniano? 2. Cómo se define la viscosidad? 3. Cómo es la dependencia de la viscosidad respecto a la temperatura? PRÁCTICA 2. EXPERIMENTO DE REYNOLDS Observar la importancia del número de Reynolds en el estudio de flujos. Obtener mediciones del número de Reynolds para flujos en diferentes condiciones. Mesa de hidrodinámica del laboratorio de Química. Consultar el manual para dudas acerca de su uso. Qué es el número de Reynolds?

11 De cuáles variables depende? Qué aplicaciones tiene? Cuál es su importancia? Instrumentos para medir Re. PRÁCTICA 3. DETERMINACIÓN DE PERFILES DE VELOCIDAD EN FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO Observar las diferencias en el comportamiento de la velocidad para flujos laminares o turbulentos. Hacer mediciones de velocidades bajo regímenes de flujo diferentes. Diseñar el equipo adecuado para la obtención de perfiles de velocidad. Cuáles son las características del perfil de velocidad en flujos laminares y turbulentos? Cuáles son las variables de las que depende la velocidad? PRÁCTICA 4. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE CORRELACIONES PARA EL FACTOR DE FRICCIÓN EN TUBOS LISOS Y RUGOSOS Reconocer la importancia del factor de fricción al diseñar tuberías. Realizar las mediciones necesarias para el cálculo de factores de fricción en tubos de diferentes características. Mesa de hidrodinámica del laboratorio de Química.

12 Cómo se calcula el factor de fricción en tuberías? Con qué variables se relaciona el factor de fricción? PRÁCTICA 5. DETERMINACIÓN DE PÉRDIDAS DE CARGA EN ACCESORIOS Y VÁLVULAS Obtener las pérdidas por fricción que se originan por accesorios, tales como los codos, o por válvulas. Mesa de hidrodinámica del laboratorio de Química. Cuáles consideraciones deben hacerse para medir pérdidas de carga en codos y válvulas? Cuáles tipos de codos y válvulas hay? 1.2 CALOR PRÁCTICA 1. MEDICIÓN DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Medir en forma experimental la conductividad térmica de diversos metales. Tubos de metal aislados (material de laboratorio). Equipo adicional para calentar los tubos y medir temperaturas. Qué es la conductividad térmica? De qué variables depende? Cómo se puede medir? Cómo ocurre la conducción del calor?

13 PRÁCTICA 2. MEDICIÓN EXPERIMENTAL DE COEFICIENTES GLOBALES DE TRANSFERENCIA DE CALOR Obtener experimentalmente una estimación de coeficientes globales. Reconocer la importancia de los coeficientes en el funcionamiento de un intercambiador. El equipo se debe diseñar. Construir un intercambiador que permita realizar una medición de los coeficientes globales. Qué son los coeficientes globales? Cuál es su importancia? Qué es un intercambiador de calor? Cuál es el efecto de los coeficientes globales en la eficiencia de un intercambiador? PRÁCTICA 3. CORRELACIONES PARA COEFICIENTES DE PELÍCULA EN EQUILIBRIO Obtener una estimación de coeficientes de película en un procesos de transferencia de calor por convección. El equipo se debe construir de manera que puedan realizarse mediciones del coeficiente. Qué es el proceso de transferencia de calor por convección? Qué es un coeficiente de película? Cuál es su importancia? Qué repercusiones tiene en la industria? PRÁCTICA 4. DETERMINACIÓN DE PERFILES DE TEMPERATURA

14 Determinar experimentalmente los perfiles de temperatura en diferentes materiales. Utilizar los tubos de metal que son parte del material de laboratorio, y equipo adicional para calentar los tubos y medir temperaturas. Cómo es el perfil de temperatura en sólidos? De qué dependen estos perfiles de temperatura? Cómo se puede hacer una medición de la variación de la temperatura en un material? PRÁCTICA 5. DETERMINACIÓN DE EFICIENCIA DE SUPERFICIES EXTENDIDAS Observar experimentalmente las ventajas que ofrece una superficie de enfriamiento para la disipación del calor por convección. Construir el material adecuado que permita la comparación de la disipación de calor en un dispositivo sin aletas y otro similar, con aletas. Qué son las superficies extendidas? Cuál es su utilidad? Cuáles son sus áreas de aplicación? Cómo ocurre el fenómeno de la convección? Qué tan eficientes son este tipo de aditamentos?

15 1.3 MASA PRÁCTICA 1. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DEL COEFICIENTE DE DIFUSIÓN DE UN VAPOR EN EL AIRE. Medir experimentalmente el coeficiente de difusión de un vapor, usando diferentes sustancias volátiles. Construir un dispositivo que permita lograr un velocidad de flujo regulable y de ser posible, con diferentes temperaturas. Este dispositivo se conoce como Tubo de Stefan. Una aspiradora o una secadora pueden adaptarse para este fin. Qué es el coeficiente de difusión? Cuál es su importancia? Cómo se calcula? Con qué variables se relaciona? 1.4 FLUJO DE FLUIDOS PRÁCTICA 1. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DE UNA BOMBA Obtener experimentalmente una curva que describa la caída o el aumento de carga en relación con el gasto en una tubería. El equipo se debe construir, de forma que se puedan medir flujos volumétricos. La variación de la carga puede obtenerse usando un variador de potencia (pedir apoyo al laboratorio de Ingeniería Electrónica). Qué es una curva característica de una bomba? Cuáles tipos hay?

16 Cómo es la relación entre el gasto de un flujo y la carga de la bomba? PRÁCTICA 2. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA PRÁCTICA 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA CAÍDA DE PRESIÓN EN UN FILTRO Observar experimentalmente la caída de presión en una tubería debido a un filtro, y cuantificarla Verificar que pueda diseñarse una práctica similar en la mesa de hidrodinámica o bien, diseñar el equipo adecuado para medir la caída de presión en el filtro. Qué es la caída de presión en una tubería? Con qué variables se relaciona? Cómo influye el tipo de filtro en la caída de presión? PRÁCTICA 4. DETERMINACIÓN DEL ÁNGULO DE DESLIZAMIENTO Y REPOSO