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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE YUCATÁN
FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA
INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA II
Dr. CARLOS MARTÍN RUBIO ATOCHE
Experimento de Reynolds
BENJAMIN MIGUEL SOLIS BASTO
FERNANDO PEREIRA SANTANA
FERNANDO PEREZ CARRILLO
PABLO DE LA C. GÓNGORA GOMEZ
ARTURO ADRIÁN REYES BENITES
MÉRIDA, YUCATÁN A 26 DE OCTUBRE DE 2011
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
Introducción
En el equipo una corriente de agua de entrada es acondicionada térmicamente por medio de un bucle de recirculación para obtener una corriente de agua de salida en los términos deseados.
El bucle de recirculado de agua caliente es un tipo de aplicación utilizada en numerosas instalaciones industriales y químicas, con el fin de controlar la temperatura de salida a partir de variaciones dentro del bucle. La aplicación modelada es típica de un sistema de calentamiento en las industrias de productos químicos, alimentos o productos farmacéuticos, en las que la temperatura de un producto se eleva o reduce fuera de línea recirculando parte del producto por un intercambiador de calor.
El equipo consta de un tubo de paso que lleva agua desde un suministro de agua fría hasta un desagüe apropiado con un bucle de tubo conectado entre las conexiones de suministro y desagüe. Este bucle de recirculado incorpora una bomba de circulación y un calentador (resistencia de calentamiento) para elevar la temperatura del agua en el bucle.
Distintos volúmenes del bucle de recirculado pueden ser seleccionadas simplemente mediante la apertura de la válvula correspondiente. Con ello se puede estudiar el tiempo de residencia de cada configuración y las variaciones de la temperatura al aumentar o disminuir el flujo de agua.
Las temperaturas del agua en la entrada, en la salida y dentro del bucle se miden usando sensores de temperatura. Los flujos de agua, en los puntos correspondientes, se miden usando sensores de flujo.
Un par de acoplamientos autosellantes permite conectar en serie una sección corta de tubo o un depósito con el bucle de reciclado para cambiar el volumen del bucle y demostrar el efecto del tiempo de permanencia. El sistema también permite conectar tubos flexibles de diferentes longitudes en serie con el bucle, si se requiere crear más cambios en el tiempo de permanencia.
Todas las fuentes de alimentación, circuitería de acondicionamiento de señales, etc. están alojadas dentro de la base de ABS moldeado y la consola integral, con dispositivos de protección adecuados y un interruptor diferencial para la protección del operador. Las lecturas de los sensores son mostradas en un medidor digital común con interruptor de selección, y todas las señales correspondientes son enviadas a un puerto de E/S para su transmisión a una PC usando un dispositivo de interfaz opcional (TH-IFD) con paquete de software educativo (TH4-303).
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
Antecedentes
Los balances de materia no son más que la aplicación de la ley de conservación de la
masa:”la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma”.
Para efectuar un balance de materia o de energía de un proceso, primero hay que especificar
en qué consiste el sistema para el cual se hará el balance y establecer sus fronteras. Según el
diccionario, un proceso es una serie de acciones, operaciones o tratamientos que producen un
resultado (producto).
La ingeniería química se centra en operaciones como las reacciones químicas, el transporte
de fluidos, la reducción y la amplificación del equipo, la generación y el transporte de calor, la
destilación, la absorción de gases, los biorreactores y demás cosas que causan cambios físicos y
químicos en los materiales.Un sistema se refiere a cualquier porción arbitraria o la totalidad de un
proceso establecida específicamente para su análisis.
La frontera de un sistema se circunscribe formalmente alrededor del proceso mismo a fin de
subrayar la importancia de delinear cuidadosamente el sistema para cada uno de los problemas que
intente resolver. Un sistema abierto (o continuo) es aquel en que se transfiere material por la
frontera del sistema; esto es, entra en el sistema, sale del sistema o ambas cosas. Un sistema cerrado
(o por lotes) es aquel en el que no tiene lugar una trasferencia semejante durante el intervalo de
tiempo de interés.
Un balance de materia es la contabilización de material.
Acumulación = entrada – salida + generación – consumo
El balance de materia se puede referir a un balance en un sistema para
La masa total
El total de moles
La masa de un compuesto químico
La masa de una especie atómica
Los moles de un compuesto químico
Los moles de una especie atómica
Si no hay generación o consumo de materia dentro del sistema
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
Acumulación = Entradas – Salidas
Si no existe acumulación o consumo de materia dentro del sistema, se dice que estamos en estado
estacionario o uniforme.
Entradas = Salidas
Si no existen flujos de entrada y salida, se reduce al concepto básico la conservación de la materia
dentro de un sistema cerrado o aislado.
Para todo balance de materia debe definirse un sistema, se entiende por este a cualquier porción
arbitraria o total de un proceso.
Los procesos se pueden presentar de la siguiente manera:
El reciclaje implica regresar el material que sale de un proceso una vez más al proceso para
un procesamiento ulterior. Un flujo de reciclaje denota un flujo de proceso que devuelve material
desde un punto corriente debajo de la unidad de proceso a dicha unidad.
Los procesos que implican “alimentación a contracorriente” o recirculación del Producto se
encuentran con frecuencia en la industria química y del petróleo. En las reacciones químicas, el
material sin reaccionar puede separarse del producto y recircularse, tal como en la síntesis del
amoníaco. Otro ejemplo del uso de las operaciones con recirculación es el de las columnas de
destilación fraccionada, en donde una parte del destilado sirve como reflujo de la columna para
aumentar la concentración del producto.
En muchos casos se emplea una corriente de recirculación y estos son:
1. Cuando se utiliza un exceso estequiométrico de uno de los componentes. Esto se hace cuando
interesa que reaccione completamente un reactivo limitante.
2. Cuando la reacción se lleva a cabo en un diluyente inerte, generalmente se recircula el diluyente
una vez que se han separado los productos.
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
3. Cuando la transformación de los reaccionantes en los productos está limitada, bien por
consideraciones de equilibrio, o bien porque la velocidad de reacción se hace extraordinariamente
lenta a medida que aumenta la concentración de los productos.
4. Cuando hay reacciones laterales con intervención de los productos de reacción. Por ejemplo en la
cloración de un hidrocarburo alifático, en presencia de cloro, el compuesto monoclorado reacciona
para formar el diclorado, que a su vez se transforma en triclorado y así sucesivamente. Para evitar
esto se usa un exceso de sustancia orgánica y se detiene la cloración antes de que en el sistema haya
excesiva proporción de compuesto monoclorado. El exceso de compuesto alifático y cloro se
recircula. La recirculación de corrientes fluidas en los procesos químicos es práctica para
incrementar rendimientos, enriquecer un producto, conservar calor, etc.
Práctica I
Objetivo
Demostrar el efecto de la recirculación en el balance de materia y energía, de igual forma aplicar la ecuación de balance de energía en la recirculación.
Materiales y Métodos
Equipo de Bucles de recirculación Marca Armfield
Agua
Laptop (software)
1. Se completó el ciclo de recirculación.
2. Se revisó que la entrada estuviese conectada al agua y la salida al drenaje. Así
mismo se reviso que tanto la bomba como el calentador estuviesen apagados. Se
encendieron la consola, las válvulas de entrada y recirculación estuvieron
completamente abiertas,
3. Usando el selector rotatorio de la consola, el medidor digital mostro el flujo de la
corriente de entrada. Se abrió la llave de agua y se incrementó la presión hasta que
el medidor marco 3,5 l/min, luego se cerró el regulador de presión del equipo hasta
llegar a 3.2 l/min.
4. Se encendió la bomba de recirculación, y se esperó aproximadamente 5 min hasta
que el aire del sistema se dispersó, se abrió y cerró la válvula de recirculación para
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
ayudar a este proceso. Se apagó la bomba de recirculación y cerró ambas válvulas,
la de recirculación y la de agua de entrada hasta que estuvo listo para comenzar el
experimento.
5. Se abrió la llave del agua, luego se cerró el regulador de presión del equipo hasta
llegar a 1 l/min.
6. Se usó el selector rotatorio y se colocó de tal forma que mostró las lecturas
necesarias. Se recopilaron los datos por los flujómetros de entrada y salida (F1 y
F3) y la temperatura de entrada T1. Se cambió el selector de tal forma que registre
el flujo de recirculación F2. Se encendió la bomba de recirculación y se abrió la
válvula de recirculación hasta obtener un flujo de aproximadamente 1 l/min.
7. Se recopilaron las lecturas del flujo de entrada, de salida y el de recirculación.
8. Se continuó abriendo la válvula de recirculación con pasos de 0.5 l/min hasta llegar
a 3 l/min y se recopilaron los datos arrojados por los sensores en cada paso.
9. Entonces se abrió la válvula de regulación de flujo de entrada hasta que la lectura
de F1 llegue aproximadamente a 1.5 l/min. Se abrió la válvula de recirculación y se
encendió la bomba ajustándola hasta que dio 1 l/min y se encendió el calentador.
10. Se recopilaron los datos de flujo de entrada y temperatura asumiendo que son
constantes para cada resultado. Se tomó nota del flujo de recirculación, flujo de
salida y temperaturas de recirculación y salida.
11. Se abrió la válvula de recirculación en pasos de 0.5 l/min y se tomó nota de los
datos arrojados en cada paso.
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
Resultados
1. Calcula la densidad del agua de 0 a 100 grados centígrados, gráfica la tabla ¿A qué se deben las diferencias?
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100930940950960970980990
10001010
Densidad del Agua
Temperatura ºC
Dens
idad
Kg/
m3
2.- ¿Cuál es la temperatura del agua de entrada y su densidad?
26°C y 994.74 Kg/m3
3.-Realice un balance de materia teórico y compárelo con lo obtenido experimentalmente, explique las diferencias o semejanzas.
Los flujos están dados en l/min
El balance de masa no concuerda con los datos experimentales debido a las fugas y fallas en algunos de los sensores del equipo.
1
1.5
2.51
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
F1 L/min F2 L/min F3 L/min Qv1 m3/s Qv2 m3/s Qv3 m3/s Qm1 kg/s Qm2 kg/s Qm3 kg/s0.88 1.5 1.07 1.46667E-05 0.000025 1.78333E-05 0.01458952 0.0246785 0.017692990.86 2.01 1.05 1.43333E-05 0.0000335 0.0000175 0.01425794 0.03304306 0.017362280.85 2.51 1.02 1.41667E-05 4.1833E-05 0.000017 0.01409215 0.04128732 0.016866210.82 3 0.99 1.36667E-05 0.00005 0.0000165 0.01359478 0.0493594 0.01637015
4.- ¿Cuál es el flujo de entrada, la temperatura?26 grados centígrados y 994.74 Kg/m3
5.-¿Cuál es la cantidad de energía suministrada al calentador?
A diferentes flujos de recirculación obtuvimos los siguientes resultados
1.50l
min×( 1m3
1000l )×( 987.14 kgm3 )=1.4807 kg/min
Qcalentador=1.4807kg
min∫
312.15
327.35
1KcalKgK
dT=22.5066Kcalmin
1.98l
min×( 1m3
1000l )×( 986.036 kgm3 )=1.9523 kg /min
Qcalentador=1.9523kg
min∫
308.95
320.15
1KcalKgK
dT=21.8658Kcalmin
2.51l
min×( 1m3
1000 l )×( 986.948 kgm3 )=2.477 kg /min
Qcalentador=2.477kg
min∫
309.15
318.65
1KcalKgK
dT=23.5315Kcalmin
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
3.05l
min×( 1m3
1000l )×( 987.188 kgm3 )=3.010 kg /min
Qcalentador=3.010kg
min∫
309.35
317.45
1KcalKgK
dT=24.381Kcalmin
6.-Complete la siguiente tabla
F2 L/min Qv2 m3/sT2 T3 1/Qv1+1/
Qv2C K C K1.48 2.46667E-05 54.2 327.35 39.4 312.55 82207.20721.98 0.000033 47.1 320.25 35.8 308.95 71969.6972.51 4.18333E-05 45.5 318.65 36 309.15 65571.04913.05 5.08333E-05 44.3 317.45 36.2 309.35 61338.7978
40 42 44 46 48 50 52 54 5660000
65000
70000
75000
80000
85000
Series2
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
De la ecuación 2 bajo las condiciones del estado estable el gradiente de la gráfica seria H/C y la intercepción con el eje “y” sería (T1+H/QviC)
7.- ¿Esto es correcto?
Si
8.- ¿Qué valor tendría H?
Tendría un valor de 2
9.- ¿Afecta la tasa de recirculación a la temperatura de salida, para un flujo de entrada contante? ¿Por qué?
Existe una mayor masa y se tiene la misma cantidad de calor, por lo tanto todo el calor se tiene que distribuir en toda la masa, por lo tanto a mayor flujo de recirculación menor será la temperatura final.
Análisis de los resultados y Conclusiones
Después de haber llevado la metodología descrita se llegaron a las siguientes
conclusiones:
Se demostró el efecto de la recirculación en el balance de materia y energía,
de igual forma se aplicó la ecuación de balance de energía en la
recirculación.
Los resultados de los balances de masa teóricos y los que mostró el equipo
no coinciden, probablemente por las fallas del equipo.
Se aprecia que si aumentamos el flujo de recirculación la temperatura final
disminuye.
La primera temperatura de salida no es posible, porque como es el que
presenta un flujo de recirculación menor la temperatura debería ser la mayor,
en los otros datos si se aprecia dicho comportamiento.
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
Observaciones y Recomendaciones
Para obtener los resultados esperados se recomienda:
Revisar el equipo porque presenta varias fugas en la entrada, recirculación y salida, que no
eran constantes pues con cualquier movimiento las fugas se cerraban o se hacían más
grandes, esta es una de las razones porque el balance de materia no se cumple nunca.
Esperar la total estabilización por completo del equipo, y al aumentar el flujo se tenían
temperaturas semejantes pero sin embargo más bajas.
Observar el termopar número uno porque no funciona correctamente; indica que la entrada
del agua es de cien grados centígrados y un momento indicaba que era de cero grados. Al
mover el cable del termopar la temperatura cambia considerablemente, por lo tanto la
densidad arrojada por el software no era el correcto y se recurrió a literatura para poder
encontrar el verdadero valor y corregir los gastos.
Práctica II
Objetivo
Observar el efecto que tiene el cambio de parámetros de operación en el proceso de recirculación.
Materiales y Métodos
Equipo de Bucles de recirculación Marca Armfield
Agua
Laptop (software)
1. Se completó el ciclo de recirculación.
2. Se revisó que la entrada esté conectada al agua y la salida al drenaje, así mismo que
el swich del calentador y la bomba estuvieran en off. Se encendió la consola y las
válvulas de entrada y recirculación debiesen estar completamente abiertas.
3. Se uso el selector rotatorio en la consola y se giro de tal forma que mostrara la
salida del medidor digital proveniente del flujómetros localizado en la corriente de
entrada. Se abrió la llave de agua e incrementó la presión hasta que el medidor
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marcará 3.5 l/min, luego se cerró el regulador de presión del equipo hasta llegar a
3.2 l/min.
4. Se encendió la bomba de recirculación, y se esperó aproximadamente 5 min hasta
que el aire del sistema se dispersó, se abrió y cerró la válvula de recirculación para
ayudar a este proceso. Se apagó la bomba de recirculación y cerró ambas válvulas,
la de recirculación y la de agua de entrada hasta que estuvo listo para comenzar el
experimento.
5. Se abrió la válvula de entrada y la válvula de recirculación y ya con las válvulas
abiertas se encendió la bomba de recirculación. Usando el logger de la
computadora, se configuró para tomar mediciones cada 5 seg.
6. Se comenzó con la recopilación de datos de la temperatura de salida y la de
recirculación con el calentador encendido hasta que la temperatura de salida se
establezca. Se comenzó una nueva tabulación de resultados y se comenzó a
recopilar los mismos parámetros pero con el calentador apagado y se dejaron de
tomar resultados hasta que la temperatura se estableciera.
7. Flujo circulante, manteniendo todos los demás parámetros estables, se introdujo un
cambio en el liquido circulante modificando la válvula de entrada. Se tomaron
mediciones de los otros parámetros introduciendo cambios a 10 puntos diferentes
de apertura de la válvula.
8. Flujo de recirculación, manteniendo todos los demás parámetros constantes, se
cambió la tasa de flujo de recirculación modificando la apertura de la válvula de
recirculación. Se tomaron mediciones de los otros parámetros introduciendo
cambios de 10 puntos diferentes de apertura de válvula.
9. Volumen recirculado, manteniendo todos los demás parámetros constantes, se
cambió el volumen recirculado remplazando el contenedor Perspex con el tubo
corto flexible. Se realizó lo mismo que en los pasos 7 y 8 ahora con el tubo corto
flexible y se registraron los datos arrojados.
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
Resultados
1. Grafique lo hecho en los puntos 7 y 8, tomando en cuenta todos los parámetros (T1, T2, T3, F1, F2 Y F3) para los dos casos, utilizando el contenedor perspex y el tubo corto, todos estos contra el tiempo.
Gráficas que representan el cambio de flujo
Paso 7 F1 F2 F3 T1 T2 T31 2.03 2.75 2.46 25.5 43.05 35.22 1.9 2.73 2.28 25.4 43.6 35.53 1.8 2.76 2.16 25.3 44 35.84 1.7 2.74 2.02 25.2 44.6 36.45 1.6 2.71 1.89 25.1 45.6 376 1.51 2.7 1.78 25 46.4 37.77 1.42 2.66 1.67 24.5 47 38.18 1.33 2.68 1.56 24.5 48 39.19 1.18 2.67 1.36 24.5 49.6 40.8
10 0.99 2.66 1.12 24.4 52.6 44
Recirculación constante
0 2 4 6 8 10 120
0.5
1
1.5
2
2.5
3
F1F2F3
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
0 2 4 6 8 10 120
10
20
30
40
50
60
T1T2T3
Gráficas que representan el cambio de temperatura
Paso 8 F1 F2 F3 T1 T2 T31 1.66 2.67 1.92 24.4 45.4 36.32 1.65 2.51 1.91 24.5 45.7 36.23 1.64 2.4 1.89 24.5 46.2 36.34 1.63 2.33 1.88 24.4 46.6 36.45 1.61 2.22 1.85 24.4 46.9 36.46 1.59 2.1 1.83 24.3 47.4 36.47 1.58 2 1.83 24.3 48 36.48 1.57 1.88 1.8 24.3 48.6 36.59 1.55 1.67 1.77 24.3 49.7 36.4
10 1.55 1.53 1.75 24.3 50.9 36.6
Entrada Constante
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
0 2 4 6 8 10 120
0.5
1
1.5
2
2.5
3
F1F2F3
0 2 4 6 8 10 120
10
20
30
40
50
60
T1T2T3
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
Análisis de los resultados y Conclusiones
Después de haber llevado la metodología descrita se llegaron a las siguientes
conclusiones:
Se observó el efecto que tiene el cambio de parámetros de operación en el
proceso de recirculación.
Se presenta una variación de temperatura al ir cambiar los flujos de
alimentación y de recirculación; mientras más crezca el flujo de alimentación o
de recirculación la temperatura de la salida va disminuyendo, hasta llegar a una
estabilización de las mismas.
La variación de los flujos tiene un efecto en la variación de las temperaturas.
Observaciones y Recomendaciones
Para obtener los resultados esperados se recomienda:
El equipo para la realización no se encuentra en condiciones óptimas de
funcionamiento, presenta fugas de líquido y las válvulas para regular el flujo
de alimentación no está habilitada.
Revisar atentamente la calibración del equipo porque es un procedimiento
clave para obtener los mejores resultados y lo más importante para tener una
mayor confiabilidad de los análisis realizados posteriormente.
Tomar en cuenta que la interfase utilizada solo tiene el registro de la temperatura
del flujo de entrada.
Se recomienda un chequeo del equipo de todo el equipo porque fallaron durante
la realización de la práctica, es decir el cable que mide la temperatura de entrada
y la válvula de entrada, procurar se tenga una interface que pueda medir las
variaciones de las tres temperaturas involucras.
Laboratorio de Ingeniería Química II. Bucles de Recirculación
Referencias Bibliográficas
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McCabe. (2007).Operaciones unitarias en ingeniería química. 7a Edición.
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