Autor: Dr. Bernardo Hernández Morales

Transcripción

1 Modelado Físico de Procesos Metalúrgicos y de Materiales Semestre Inyección (por el fondo del reactor) de un gas en un baño líquido: tiempo de mezclado Guión de trabajo experimental Información Numerosos procesos metalúrgicos tales como: la desoxidación de cobre, el desgasificado de aluminio y la descarburización de aceros de alta aleación, se basan en la inyección de un gas en un baño líquido para introducir al reactivo gaseoso en el baño y al mismo tiempo favorecer el transporte de masa con lo que se incrementa la productividad de estos procesos. En otras ocasiones, el gas se inyecta para homogeneizar al baño. La inyección de gases puede realizarse por el fondo del reactor, por un lado del reactor o bien mediante una lanza sumergida en el baño líquido. Una cantidad de interés en este tipo de sistemas es el tiempo de mezclado, que puede estimarse mediante la adición de un trazador físico (por ejemplo, una disolución acuosa de ácido sulfúrico) en forma de pulso. Para adimensionalizar las condiciones de flujo a través del orificio se puede utilizar al número de Reynolds. Objetivo Cuál es el valor del número de Reynolds, basado en las condiciones del orificio, para el que el tiempo de mezclado en un baño de agua de 30 cm de profundidad sea de 8 s (para una pareja de puntos de inyección y de medición del trazador físico colocada 3 cm por debajo de la superficie libre y con un ángulo de 180 entre ambos puntos) cuando se inyecta aire a temperatura ambiente por el fondo del modelo físico?

2 Materiales y equipo Modelo físico: tubo de acrílico (40 cm de altura x 9.5 cm de diámetro, cerrado por la base) con una boquilla de 3.1 mm de diámetro, ubicada en el centro de la base del tubo 50 ml de una disolución acuosa 1:2 de H 2 SO ml de una disolución acuosa 1:2 de NaOH 50 L de agua 30 ml de solución buffer de ph 4 30 ml de solución buffer de ph 7 Jeringas de 5 ml Pizeta con agua destilada Cuatro frascos de vidrio o vasos de precipitados (para contener a las disoluciones) ph-metro (con puerto de comunicación y compensación por temperatura) Compresora Rotámetro para aire con rango de medición de 118 a 1150 ml/min Conexiones rápidas y mangueras Laptop Software de adquisición de datos para el ph-metro

3 PARTE I Procedimiento 1. Calibra el ph-metro de acuerdo al instructivo del equipo 2. Instala la conexión de aire al modelo físico y comienza a circular aire a una rapidez de flujo de 118 ml/min 3. Llena el modelo físico con agua hasta una altura de 30 cm 4. Coloca, cuidadosamente, el electrodo del ph-metro (y el detector de temperatura) en el interior del baño líquido a una profundidad de 3 cm 5. Mide el ph inicial 6. Llena la jeringa con 2 ml de una disolución de ácido sulfúrico en agua (1:2) 7. Inicia el software de adquisición de datos y selecciona los parámetros de adquisición 8. Inicia la adquisición de datos 9. Agrega rápidamente la disolución del trazador, en un punto localizado a 180 de la posición del electrodo del ph-metro y a la misma altura que éste 10. Detén la adquisición de datos cuando lo consideres adecuado 11. Agrega la disolución de NaOH y mantén la agitación hasta que neutralices al agua 12. Desecha el agua ya neutralizada 13. Lava el electrodo del ph-metro 14. Obtén esta medición por triplicado, comenzando siempre con agua fresca 15. Repite este procedimiento para una rapidez de flujo de 1150 ml/min

4 Cuestionario 1. Qué criterio utilizaste para detener un experimento? 2. Describe la respuesta del sistema, esto es, la forma de la curva ph vs. tiempo 3. A partir de las mediciones: cómo se puede estimar la magnitud del tiempo de mezclado en el sistema? 4. Estima el tiempo de mezclado para cada uno de los experimentos 1 5. Calcula el número de Reynolds (basado en el orificio) para cada valor de flujo de aire 6. Calcula los valores promedio del tiempo de mezclado para cada número de Reynolds (basado en el orificio) así como la desviación estándar 7. Qué relación existe entre el tiempo de mezclado y el número de Reynolds (basado en el orificio)? 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 cuando se usa una frecuencia de adquisición de aproximadamente 1 Hz, la operación: C4/HORANUMERO("00:00:01.0") y asegúrate que el formato de la celda objetivo sea numérico y con al menos dos posiciones decimales.

5 PARTE II Procedimiento 1. Instala la conexión de aire al modelo físico y comienza a circular aire a la rapidez de flujo que hayas seleccionado 2. Llena el modelo físico con agua hasta una altura de 30 cm 3. Coloca, cuidadosamente, el electrodo del ph-metro (y el detector de temperatura) en el interior del baño líquido a una profundidad de 3 cm 4. Mide el ph inicial 5. Llena la jeringa con 2 ml de una disolución de ácido sulfúrico en agua (1:2) 6. Inicia el software de adquisición de datos y selecciona los parámetros de adquisición 7. Inicia la adquisición de datos 8. Agrega rápidamente la disolución del trazador, en un punto localizado a 180 de la posición del electrodo del ph-metro y a la misma altura que éste 9. Detén la adquisición de datos cuando lo consideres adecuado 10. Agrega la disolución de NaOH y mantén la agitación hasta que neutralices al agua 11. Desecha el agua ya neutralizada 12. Lava el electrodo del ph-metro 13. Obtén esta medición por triplicado, comenzando siempre con agua fresca 14. Repite este procedimiento para una rapidez de flujo de 1150 ml/min 15. En caso necesario, repite este procedimiento para otro valor de rapidez de flujo de aire

6 Cuestionario 1. Estima el tiempo de mezclado para cada uno de los experimentos 2. Calcula el número de Reynolds (basado en el orificio) para cada valor de flujo de aire 3. Calcula los valores promedio del tiempo de mezclado para cada número de Reynolds (basado en el orificio) así como la desviación estándar 4. Grafica los valores medidos de tiempo de mezclado en función del número de Reynolds (basado en el orificio) 5. Cuál es el valor del número de Reynolds, basado en las condiciones del orificio, para el que el tiempo de mezclado en un baño de agua de 30 cm de profundidad sea de 8 s (para una pareja de puntos de inyección y de medición del trazador físico colocada 3 cm por debajo de la superficie libre y con un ángulo de 180 entre ambos puntos) cuando se inyecta aire a temperatura ambiente por el fondo del modelo físico?