laboratorio de operaciones unitarias i junio2015 (1)
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GUÍA DE LABORATORIOTRANSCRIPT
NORMAS DEL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I
I. DE LA SEGURIDAD E HIGIENE.
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACION
UNIVERSITARIA, CIENCIA Y TECNOLOGIAINSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA VALENCIA
GUÍA DE PRÁCTICAS
LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I
Julio 2015
1. El alumno debe asistir al Laboratorio de Operaciones Unitarias I con la indumentaria adecuada para realizar el trabajo práctico, es decir:
a.- Zapatos cerrados (deportivos o tenis) con suela antiresbalante.b.- Preferiblemente utilizar ropa de algodón (evite la sintética).c.- El estudiante debe asistir en pantalones largos (evitar faldas, bermudas y
shorts).d.- Llevar el cabello recogido.e.- No usar prendas.f.- Emplear bata de laboratorio en el área de mediciones.
2. El alumno es responsable de la integridad y cuidado de todo el material involucrado en trabajo practico: equipos, material de vidrio, reactivos y accesorios.
3. El alumno al concluir el trabajo práctico, debe entregar el sitio de trabajo completamente limpio y ordenado y el material sobrante en buen estado.
4. Queda TERMINANTEMENTE PROHIBIDO el consumo de bebidas y alimentos dentro de las instalaciones del laboratorio.
5. Utilizar las papeleras.6. Terminantemente prohibido la presencia de estudiantes en el laboratorio sin la
supervisión de un docente.7. No correr, ni gritar.8. Se prohíbe el uso de teléfonos dentro de las instalaciones del laboratorio.
II. DE LA ASISTENCIA Y PERMANENCIA.
1. La asistencia al laboratorio es de carácter obligatorio para todos los alumnos que cursen esta asignatura.
2. El alumno que falte al veinticinco por ciento (25%) de las prácticas INJUSTIFICADAMENTE perderá la posibilidad de recuperar dichas prácticas.
3. En caso de inasistencia justificada el alumno podrá recuperar la práctica en la oportunidad que el profesor se lo señale, de acuerdo a la disponibilidad del laboratorio. La justificación se entregará en los 5 días hábiles siguientes.
4. Se permitirá el ingreso de los alumnos al laboratorio, hasta quince (15) minutos después del inicio de la actividad conforme al horario previsto.
5. El alumno podrá retirarse del laboratorio, definitivamente, previa autorización del profesor.
6. La duración del trabajo práctico es de cuatro (06) horas académicas.7. Los trabajos prácticos deben realizarse según la programación presentada al
comienzo del período académico respectivo.
8. En caso de no poder realizarse el trabajo práctico, por razones ajenas a nuestra voluntad, el mismo queda pospuesto de manera tácita para la semana siguiente, sin alterar el orden de la programación.
III. DE LA EVALUACIÓN.
1. Para la evaluación integral del trabajo práctico se tomarán en cuenta los siguientes tópicos:
Apreciación (20%) Pre-Informe (20%) Prueba Escrita (20%) Informe (40%)
2. La presentación del pre-informe constituye requisito indispensable para realizar el trabajo práctico.
3. En caso de plagio se eliminará la nota de los grupos involucrados.4. La prueba corta tendrá una duración máxima de 30 minutos.5. Al finalizar la sesión de trabajo práctico, el grupo debe presentar al profesor un
reporte tabulado con los datos obtenidos en la experiencia realizada. 6. El grupo deberá entregar el informe en el transcurso del trabajo práctico de la
siguiente semana, de lo contrario, se aplicará una sanción de 2n puntos, donde n es el número de días de retraso.
7. La evaluación del pre-informe e informe se realizará de la siguiente manera:
8. El docente está en la obligación de explicarle al alumno que salga reprobado en un determinado informe, las fallas presentadas en el mismo.
PRE – INFORME NOTA INFORME NOTAPORTADA, REDACCIÓN,
ORTOGRAFÍA Y PRESENTACIÓN1 PUNTO
PORTADA, REDACCIÓN, ORTOGRAFÍA Y PRESENTACIÓN
1 PUNTO
OBJETIVOS 2 PUNTOS SUMARIO O RESUMEN 3 PUNTOSTABLAS DE DATOS EXPERIMENTALES
4 PUNTOS DATOS EXPERIMENTALES 2 PUNTOS
ECUACIONES A UTILIZAR 5 PUNTOSTABLAS Y/O GRÁFICOS DE
RESULTADOS3 PUNTOS
DATOS Y/O GRÁFICOS DE REFERENCIA
5 PUNTOS CÁLCULOS TIPO 3 PUNTOS
BIBLIOGRAFÍA 3 PUNTOS DISCUSIÓN DE RESULTADOS 4 PUNTOS
CONCLUSIONES 4 PUNTOS
TOTAL 20 PUNTOS TOTAL 20 PUNTOS
IV. DE LA ELABORACIÓN DEL PRE-INFORME E INFORME.
Para elaborar un buen informe técnico se deben tener en cuenta ciertas normas: Usar hojas (nuevas o recicladas) tamaño carta, manteniendo un margen de cuatro
centímetros (4 cm) en la parte superior e izquierda y de tres centímetros (3 cm) en la parte inferior y derecha de la hoja.
Todo informe debe ser escrito siempre en tercera persona. Debe presentarse en tinta negra o azul y no debe poseer más de 8 páginas. Utilizar un lenguaje técnico. Evitar las expresiones coloquiales. Debe redactarse en párrafos cortos con frases cortas, haciendo uso del punto y
seguido para separar las frases dentro de cada párrafo. Utilice las letras mayúsculas cuando corresponda, evite el uso excesivo de las mismas.
Las figuras que se presentan en el informe deben elaborarse en tinta negra y se deben identificar.
La presentación debe ser impecable. Velar por la correcta ortografía y ausencia de errores.
El informe puede ser presentado de manera digital utilizando un procesador de palabra, hoja de cálculo, entre otros.
Los Pre-informes e Informes, exigidos en el laboratorio, tendrán la siguiente estructura y orden:
P R E - I N F O R M E
El Pre-informe se realiza de manera individual en un cuaderno destinado exclusivamente para tal fin.
Portada. La portada debe considerarse como la tarjeta de presentación del mismo:1. En el extremo superior izquierdo de la hoja debe identificarse el lugar donde se
realizó la práctica, ejemplo:REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DE PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA, CIENCIA Y TECNOLOGIA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA DE VALENCIAPROGRAMA NACIONAL DE FORMACION EN PROCESOS QUÍMICOS
LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I
2. En la parte central se coloca el número correspondiente al pre-informe y el título del mismo.
3. En la parte inferior derecha de la hoja se indica lo siguiente:
- Identificación de la persona que elabora el trabajo (por apellido y en orden alfabético).
- Sección.- Número de grupo.
4. En la parte izquierda de la hoja, se coloca en nombre del profesor al que va dirigido.
5. En la parte inferior de la hoja y centrado se identifica el lugar y fecha de presentación.
Objetivos. Se especifican tanto el general como los específicos.Tablas de datos experimentales. En esta sección se considera el diseño de las tablas en función de los datos recopilados durante la experiencia práctica (datos experimentales). Los datos obtenidos no deben someterse a ningún tipo de manipulación, y por lo tanto se reportan en forma tabulada. A continuación se describe como elaborar una tabla:
Enumerar las tablas con números arábigos. Deben contener un título que represente en forma general el contenido de
todas las variables que se están midiendo. El título debe englobar el contenido de la tabla, no debe ser una lista de los encabezados de la tabla.
Los encabezados deben contener el nombre de la variable, el símbolo de la variable, el error instrumental y las unidades correspondientes.
Las tablas de datos experimentales deben tener las unidades tal como fueron tomados durante la práctica y los resultados, deben expresarse en las unidades derivadas correspondientes y en su equivalente en el sistema internacional.
En la parte inferior de la tabla se colocan las condiciones ambientales a las cuales se trabajó (presión, temperatura, entre otros).
Ecuaciones a utilizar. Contiene las ecuaciones a emplear para el tratamiento de los datos experimentales y logro de los objetivos planteados. Estas se enumeran y se indican las unidades de las variables involucradas así como la unidad resultante.Datos y/o gráficos de referencias. Las tabla de referencia deben mantener las mismas condiciones que las tablas de datos experimentales (sobre la identificación, centrada, entre otros). Puede estar constituida por propiedades físico – química de las sustancias que serán utilizadas, características de materiales y equipos. Estas tablas deben indicar la fuente de la información.Bibliografía. En esta sección deben incluir todas las fuentes de información utilizadas durante la investigación. Deben presentarse numeradas y en estricto orden alfabético por autor y respetando las normas APA.
I N F O R M E
El Informe se realiza de manera grupal.
Portada. Descrita anteriormente.Sumario o resumen. Es un breve resumen de los puntos más importantes del informe. Debe ser redactado en forma impersonal y en tiempo pasado y no excederse de 1 página. Un sumario o resumen puede comenzar indicando la finalidad de la elaboración del informe, incluyendo los objetivos generales y específico. Seguidamente describir, en forma breve, el procedimiento o metodología desarrollada y exhibir los resultados más relevantes obtenidos durante la experiencia práctica, así como las desviaciones que presentan respecto a trabajos anteriores, datos de referencia o bibliográficos. Luego se indican las conclusiones más importantes, de las presentadas en el informe (máx. 2 conclusiones) y por último se pueden mencionar las recomendaciones más importantes. Datos experimentales. Diseñadas en el pre-informe, pero en esta ocasión, se corrigen los datos experimentales, los cuales deben coincidir con los reportados el día de trabajo práctico.Tablas y/o gráficos de resultados. Aquí se corrigen los resultados obtenidos a partir de los datos experimentales, al igual que las unidades en la cuales se expresan (derivadas y en S.I.). Esta sección incluye los gráficos derivados de los resultados, según sea el caso, y los mismos deben cumplir con las siguientes reglas generales para su elaboración:
En la parte superior de la hoja se coloca el número (arábigo) y el título del gráfico (centrado). El título debe suministrar toda la información posible sobre el gráfico.
Evitar el uso de conectores “VERSUS”, “CONTRA”, “Vs”, en el contexto del gráfico.
Elegir la escala más conveniente para que los puntos obtenidos queden bien distribuidos dentro del gráfico.
Indique el sentido creciente de los ejes mediante flechas y las coordenadas del origen.
La variable independiente se ubica en el eje de las abscisas (x), mientras que la dependiente se ubica en el de las ordenadas (y).
Cada eje debe estar identificado con el nombre de la variable manejada, símbolo, unidades y escala utilizada.
La curva experimental se construye con una línea continua que mejor se ajuste a los puntos experimentales.
Se debe indicar las condiciones a las cuales fueron tomados los datos experimentales utilizados para elaborar el gráfico (temperatura y presión).
Cuando en un mismo gráfico se presentan varias curvas, deben distinguirse los puntos pertenecientes a cada una mediante símbolos o colores diferentes.
Al existir más de una escala en el eje coordenado, debe identificarse cada una con su variable, símbolo, unidades y escala utilizada. Las curvas se
deben identificar sobre el mismo gráfico o se remiten a una leyenda que se sitúa en el espacio más conveniente
Cálculos típos. Es conveniente mostrar un sólo calculo típico por cada ecuación a utilizar, manteniendo la secuencia de las ecuaciones utilizadas, los demás valores obtenidos, se reportan en la tabla de resultados.Discusión de Resultados. El análisis general de resultados se hace en función de los objetivos correspondientes, evidenciar si los objetivos planteados fueron alcanzados y si las interrogantes de la práctica se resolvieron. Los resultados presentados en la tabla deben ser analizados y comparados con los datos y/o gráficos de referencia o bibliográficos o con las consideraciones teóricas que fundamentan el trabajo practico. A partir de estas comparaciones se explica las posibles causas que provocaron las desviaciones.Conclusiones. Las conclusiones representan el cierre de la investigación con base al análisis de los resultados más relevantes del trabajo, deben responder a los objetivos específicos, siendo los más generales y concretas posibles. No deben aparecer conclusiones de algo que no se ha discutido. En las conclusiones NO SE HACE UN RESUMEN DE LOS RESULTADOS, sobre todo si algunos no son novedosos. Lo que debe aparecer en una conclusión son las ideas originales que se desprenden del trabajo o la declaración de que los resultados están en acuerdo (o en desacuerdo) con la hipótesis de trabajo, establecida en la introducción
V. CONSIDERACIONES GENERALES.
1. Los grupos de trabajo estarán conformados por dos (02) alumnos y en forma excepcional por tres o cuatro (03 ó 04) alumnos.
2. El manejo de material de vidrio, balanzas, termómetros, manómetros, cronómetros, etc., así como el cumplimiento de las normas de higiene y seguridad deben estar acorde con el conocimiento previo alcanzado en periodos anteriores dentro de otros laboratorios.
3. El estudiante debe consultar con su profesor acerca de la bibliografía y documentación necesaria para la elaboración del pre-informe.
4. El adecuado manejo de los instrumentos de medición y sus unidades de medidas, contribuyen a la recopilación de datos fidedignos que permiten resultados de buena calidad.
5. En caso de dañar algún equipo o material de vidrio debe reponerse antes de culminar el periodo académico.
FUNDAMENTACION:
El laboratorio de operaciones unitarias I, se desarrollará en 12 semanas, 6
horas de trabajo práctico por semanas y consiste básicamente en el
conocimiento, por parte del estudiante, de las diferentes operaciones de
separación y transformación presentes en los procesos químicos
industriales.
CONTENIDO PROGRAMATICO
PRÁCTICA N° 1: PÉRDIDAS DE ENERGÍA
PRÁCTICA N° 2: MEDIDORES DE CAUDAL
PRÁCTICA N° 3: BOMBAS CENTRÍFUGAS
PRÁCTICA N° 4: CARACTERIZACION DE PARTÍCULAS SÓLIDAS
PRÁCTICA N° 5: TAMAÑO DE PARTÍCULA
PRÁCTICA N° 6: LECHOS POROSOS
PRÁCTICA N° 7: EXTRACCIÓN LÍQUIDO- LÍQUIDO
PRÁCTICA N° 8: DESTILACIÓN REFLUJO TOTAL
PRACTICA 1. PÉRDIDAS DE ENERGÍA
I.OBJETIVOS:
General:
Identificar el régimen de circulación de un fluido y determinar las pérdidas por fricción en función del caudal en un banco de pruebas.
Específicos:
Observar los diferentes regímenes que se presentan en el flujo de fluidos a través de tuberías
Calcular el número de Reynolds para los diferentes regímenes Identificar los tramos de tuberías, accesorios y válvulas presentes en el banco
de prueba Realizar las medidas necesarias para determinar las pérdidas de energía
(reales y teóricas) en las tuberías y accesorios del banco de prueba. Graficar las pérdidas de fricción totales (reales y teóricas) en función del
caudal.
II. MATERIALES Y EQUIPOS:
Equipo para el estudio del flujo de fluidos a través de tuberías, Banco de pérdidas por fricción. Cinta métrica Cronómetro Vernier
III. CONOCIMIENTOS PREVIOS.
Tuberías, válvulas y accesorios. Características Número de Reynolds, rugosidad relativa, cédula de tuberías y pérdidas de
energía. Ecuación de Continuidad Balance de Energía Ecuación General de la Energía Ecuación de Darcy.
IV. METODO OPERATORIO.A. Determinación del régimen de flujo en una tubería
1. Llenar el tanque de alimentación de agua manteniendo la válvula de control (7) de flujo cerrada y dejándolo en reposo hasta que no exista ningún tipo de movimiento.
2. Colocar la válvula control (2) de forma que el nivel de agua en el depósito de reserva se mantenga constante.
3. Llenar el depósito para inyección de tinta hasta la marca indicada, manteniendo la válvula (5) cerrada.
4. Abrir lentamente la válvula (7) para permitir que fluya agua por el tubo transparente, ésta no debe cerrarse completamente durante la realización de los experimentos, ya que se tiñe con la tinta el agua existente en el tanque.
5. Abrir cuidadosamente la válvula (5) hasta lograr que fluya una traza nítida y recta a través de todo el tubo de vidrio.
6. Colocar la válvula de control (7) de tal manera que la traza de la tinta sea una línea recta y nítida que garantice un flujo laminar.
7. Tomar las medidas necesarias (mínimo 3) para conocer el caudal que sale por el grifo (7). Mida la temperatura del fluido.
8. Abrir un poco más la válvula de control (7) de tal manera que el hilo de corriente se rompa, muestra de un flujo turbulento,
9. Tomar las medidas necesarias (mínimo 3) para conocer el caudal que sale por el grifo (7). Mida la temperatura del fluido.
Figura 1. Equipo para el estudio del Reynolds
B. Determinación de las pérdidas de energía en el banco de pruebas
Para garantizar el buen funcionamiento del equipo se plantean las siguientes instrucciones:
Comprobar que el equipo se encuentre desconectado
1. Depósito de reserva de agua (1)
2. Alimentación de agua (2)
Tramo de rebosadero (3)
3. Deposito (4)
4. Grifo de dosificación (5)
5. Tramo de tubo (6)
6. Grifo de salida (7)
Verificar que las válvulas de paso rápido, incluyendo la de la salida de la bomba, se encuentren totalmente abiertas.
Chequear que el interruptor se encuentre en posición “OFF”
1. Hacer un reconocimiento del circuito hidráulico a estudiar, identifique y contabilice los diferentes, accesorios y tramos de tuberías presentes en el mismo (fig ).
2. Conectar el equipo a la toma de corriente de 110 voltios3. Encender la bomba.4. Regular el caudal de salida de la bomba con la válvula V1 hasta una presión de
referencia máxima de 4 psi.5. Direccionar el flujo hacia el tramo de estudio, con la ayuda de las válvulas
presentes en el sistema.6. Cerrando la descarga del cilindro al tanque, medir el tiempo de llenado para el
volumen indicado entre las referencia (mínimo tres repeticiones). Descargar al tanque el volumen depositado en el cilindro para cada repetición.
7. Tomar las medidas de presión necesarias para la evaluación de las pérdidas de energía.
8. Cerrar parcialmente la válvula V1, tomando como referencia la lectura del manómetro a la salida de la bomba, para lograr una nueva condición de caudal.
9. Repetir los pasos 6, 7 y 8 hasta obtener entre 3 y 4 caudales diferentes.10. Apagar la bomba y desconectar el equipo de la toma de corriente de 110 voltios.11. Calcular la perdidas de energía teóricas (Ec. de Darcy) y experimentales (Ec. de
Bernoulli) para cada uno de los caudales medidos
BIBLIOGRAFIA
CRANE. “FLUJO DE FLUIDOS”
MOTT, R. “ Mecánica de Fluidos”.
PVC 1plg
H G 1plg
PVC ½ plg
Bomba 1HP
V1
Cilíndro
Tanque
Figura 2. Banco de prueba para el estudio de pérdidas de energía.
PRACTICA 2. MEDIDORES DE CAUDAL
I. OBJETIVOS
General:
Calibrar un medidor de caudal de área variable
Específicos:
Identificar el circuito hidráulico Realizar las medidas necesarias para calcular el caudal real por aforo directo
(másico y volumétrico) a partir del caudal observado en el instrumento. Construir la curva de calibración: caudal observado vs. caudal real Establecer la ecuación de corrección para el caudal observado
II. MATERIALES Y EQUIPOS:
Banco de prueba para rotámetro Cronómetro Tobo Cilindro graduado de 1000 ml Báscula
III. CONOCIMIENTOS PREVIOS.
Unidades de Caudal (en diferentes sistemas) Definición de Caudal. Instrumentos para la medición de caudal. Calibración de medidores de caudal
El caudal puede determinarse bien a partir del conocimiento del campo de velocidad, el cual podemos definirlo mediante el uso de anemómetros, o de forma global mediante los aparatos llamados caudalímetros o medidores de caudal. En esta práctica nos referimos a este último procedimiento. Si el flujo es estacionario, en principio, el mejor modo de definir el caudal sería por aforo directo. Recogiendo un determinado volumen y dividiéndolo por el tiempo transcurrido se obtiene el caudal. El aforo directo no siempre es posible o conveniente ya que es un proceso muy lento e implica captar una importante cantidad de fluido. Debido a lo anterior, a la hora de medir el caudal se suele recurrir a medidores de caudal que den respuestas inmediatas. En general estos medidores de caudal han de ser verificados en instalaciones de ensayo o por comparación con otros medidores de caudal previamente calibrados.
Un rotámetro es un medidor de caudal en tuberías de área variable, de caída de presión constante. Consiste de un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cónico, con el extremo angosto hacia abajo. El tubo es de vidrio (para presiones bajas; y de metal para presiones altas) y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posición del flotador indica el gasto o caudal. (fig. 3)
Figura 3. Partes de un rotámetro
El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el área anular entre él y la pared del tubo sea tal, que la caída de presión de este estrechamiento sea lo suficiente para equilibrar el peso del flotador.El rotámetro se usa únicamente en líquidos claros o transparentes, nunca en turbios o con mucho color, para que el flotador que tienen, se pueda apreciar en donde se ubica y los datos que indica.
Lectura del flotador
Con la mayoría de los rotámetros, la lectura se toma en el centro del flotador. Se recomienda que se instale al nivel del ojo para minimizar los errores en la lectura. El menor valor que se puede medir es cero y el máximo depende de la construcción del instrumento. Para caudales grandes, (del orden de muchos m3/h), se suelen instalar en derivación (un montaje en el que sólo se hace pasar una pequeña parte de caudal a través del rotámetro, gracias a la instalación de una placa de orificio).
Fundamento del rotámetro:
El funcionamiento de este instrumento está basado en que el desplazamiento del émbolo es proporcional al empuje realizado (sustentación hidrodinámica), según el principio de Arquímedes ("Todo cuerpo sumergido en un líquido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo”)
Q = V * A -------> V = A/Q
Donde: Q = Caudal (m3/s)A = Área del rotámetro (m2)V = Velocidad (m/s)
Limitaciones de un medidor de flujo de área variable
No tienen salida para transmisión de datos Sensibles a diferencias en tipo de gases, en temperatura y en presión
Ventajas y desventajas de un medidor de flujo de área variable:
Es económico para caudales bajos y tuberías con diámetros menores a 2”. Cubre un rango amplio de caudales. Sirve para líquidos y gases. Provee una información visual directa. La caída de presión es baja. Instalación y mantenimiento simple.
No es sencillo ni económico obtener señal eléctrica a partir de la indicación. Se incrementa mucho su costo para tuberías de diámetro grande. No se consiguen rotámetros para tuberías grandes. Debe instalarse en sentido vertical de modo que el caudal sea ascendente. Son de baja precisión.
Calibración
La calibración de los rotámetros se consigue básicamente manteniendo constante el paso de un caudal a través del rotámetro y midiendo la cantidad de líquido o de gas recogido en un tiempo dado medido con precisión (aforo directo). El volumen del líquido suele medirse con buretas graduadas (volumen) o básculas (masa) mientras que en los gases se utilizan gasómetros y calibradores graduados con sello de mercurio. Para la medición del tiempo se utilizan cronómetros que midan al menos 0,01 segundos.
IV. METODO OPERATORIO
A. Método directo
1. Identificar el circuito hidráulico donde está ubicado el rotámetro e identificar las unidades del mismo
2. Mantener la válvula que regula el paso del fluido cerrada y tomar como medida inicial el cero de la escala.
3. Abrir la válvula de agua y fijar el primer caudal ascendente. Una vez alcanzadas las condiciones de equilibrio de flotador, anotar el caudal observado en la escala
4. Utilizando el cilindro graduado, recolectar una cantidad de agua en un tiempo determinado. Medir el volumen recolectado
5. Repetir este procedimiento tomando variaciones proporcionales en la escala de rotámetro en forma ascendente y luego de manera descendente.
6. Una vez obtenido la serie de datos de volumen y tiempo, correspondientes a la experiencia, calcular el caudal experimental (en las mismas unidades del caudal observado)
7. Trazar la curva de calibración Qreal. = f(Qobs.) (ver fig. 3).8. Determinar la ecuación para Qreal = a Qobs + b (ver ejemplo)
B. Método indirecto
1. Identificar el circuito hidráulico donde está ubicado el rotámetro e identificar las unidades del mismo
2. Mantener la válvula que regula el paso del fluido cerrada y tomar como medida inicial el cero de la escala.
3. Abrir la válvula de agua y fijar el primer caudal ascendente. Una vez alcanzadas las condiciones de equilibrio de flotador, anotar el caudal observado en la escala.
4. Utilizando un tobo, recolectar una cantidad de agua en un tiempo determinado. Pesar la cantidad de fluido recolectado.
5. Repetir este procedimiento tomando variaciones proporcionales en la escala de rotámetro en forma ascendente y luego de manera descendente.
6. Tomar la temperatura del fluido.7. Una vez obtenido la serie de datos de masa y tiempo, correspondientes a la
experiencia, calcular el caudal real (en las mismas unidades del caudal observado)
8. Trazar la curva de calibración Qreal. = f(Qobs.) (ver fig. 3).9. Determinar la ecuación para Qreal = m Qobs + b (ver ejemplo)
Ejemplo: Calibración de un rotámetro.
Datos experimentales
Qreal (l/h) 0 20 52.1 84.6 118.3 151.0
Qobs.(l/h) 0 10 30 50 70 90
Procedimiento:
a. Construir una grafica con ,os datos experimentales.(fig 3)
b. Trazar una línea recta al tanteo a través de los datos
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
20
40
60
80
100
Calibracion de un rotámetro
Qobs.
Qre
al.
Figura 4. Ejemplo de una curva de calibración
c. Escoger dos puntos sobre la recta y calcular la pendiente.
m = ΔY/ΔX = (Qreal2- Qreal1)/ (Qobs2- Qobs1)
b = intercepto de la recta en el eje Y; para este caso b = 0
d. Una vez conocido el valor numérico de la pendiente, expresar la ecuación de corrección en función del caudal observado y la pendiente
Qreal = m * Qobs
BIBLIOGRAFÍA
CRANE. “FLUJO DE FLUIDOS”
PRACTICA 3. BOMBAS CENTRIFUGAS
I.- OBJETIVOS
General:
Caracterizar una bomba centrífuga
Específicos:
- Obtener las curvas características de una bomba centrífuga a diferentes velocidades de rotación.
- Verificar las leyes de similitud para una bomba centrífuga
- Estudiar el arreglo de bombas centrifugas en serie y en paralelo
II. MATERIALES Y EQUIPOS:
Banco de prueba para bombas centrífugas Termómetro bimetálico
III.- CONOCIMIENTOS PREVIOS
Ecuación de energía
Tipos de Bombas
Características de funcionamiento de bombas centrífugas
Leyes de similitud
Arreglos en serie y en paralelo
Bombas Centrífugas
Una bomba centrífuga es una turbomáquina que consiste en un conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una caja, cubierta o carcasa. Las paletas imparten energía al fluido por la fuerza centrífuga La bomba centrífuga tiene dos partes principales: (1) Un elemento giratorio, incluyendo un impulsor y un eje, y (2) un elemento estacionario, compuesto por una cubierta, estoperas y chumaceras.
En el caso más general las bombas hidráulicas actúan en dos fases:Aspiración o succión: Elevando el agua desde su nivel hasta la bomba, por medio de la tubería de aspiración. En esta fase la bomba ejerce un vacío en la tubería de aspiración, con el fin de que el agua pueda subir por ella impulsada por la presión atmosférica.Impulsión: Conducción del agua desde la bomba hasta su destino o descarga, por medio de la tubería de impulsión. En esta fase la bomba ejerce la presión necesaria para que el agua se traslade a lo largo de la tubería de impulsión.
Figura 5. Partes de una bomba centrífuga
Antes de que un sistema de bombeo pueda ser diseñado o seleccionado debe definirse claramente su aplicación. Así sea una simple línea de recirculación o un gran oleoducto, los requerimientos de todas la aplicaciones son siempre los mismos, es decir, trasladar líquidos desde un punto a otro. Entonces, esto obliga a que la bomba y el sistema
tengan iguales características para que este diseño sea óptimo. El constructor propone toda una gama de bombas que se adapten a cada situación y estas poseen una tabla característica que tiene en cuenta:
Caudal. Hb. Curvas características según el número de etapas. Rendimiento. Potencia absorbida. NPSH
Curvas características
El comportamiento hidráulico de un determinado modelo de bomba viene especificado en sus curvas características que representan una relación entre los distintos valores de caudal o gasto (Q), proporcionado por la misma, con otros parámetros como: alturas de descarga (Hb), potencias (Ph; Pm), rendimientos (ɳ) y alturas de aspiración (NPSH).Estas curvas han sido obtenidas mediante ensayos realizados en un banco de pruebas el cual posee la instrumentación necesaria para medir el caudal, velocidad de giro, momento de torsión aplicado y la diferencia de presión entre la succión y la descarga de la bomba, con el fin de poder predecir el comportamiento de la bomba y obtener el
mejor punto de operación el cual se conoce como PME, variando desde un caudal igual
a cero hasta un máximo, dependiendo del diseño y succión de la bomba. Se representan gráficamente, colocando en el eje de abscisas los caudales y en el eje
de ordenadas las alturas, rendimientos, potencias y alturas de aspiración.
Figura 6. Curva característica típica de una bomba centrífuga
Leyes de similitud
Las leyes de afinidad (o similitud) expresan la relación matemática que existe entre el caudal, la velocidad de la bomba (rpm), la altura y el consumo de energía para el caso de bombas centrífugas. Las leyes muestran que incluso una pequeña reducción en el caudal se convertirá en reducciones importantes de potencia y, por tanto, de consumos energéticos. Las leyes son la base de los ahorros energéticos.Cuando se modifica una de las variables involucradas en el rendimiento de la bomba, las otras variables se pueden calcular utilizando la ley de afinidad o similitud.Las aplicaciones que se derivan son de capital importancia en la industria ya que, por ejemplo, nos permitirán determinar las curvas de respuesta de una bomba cuando cambia su velocidad de rotación, obtener las características de una máquina semejante a otra pero de diferente tamaño y parametrizar el comportamiento de las máquinas ensayadas a través de ábacos adimensionales y diagramas universales.
Q1/Q2 = n1/n2H1/H2 = (n1/n2)2
P1/P2 = (n1/n2)3
Q = caudal [m3/h]
n = velocidad de la bomba [rpm]
H = altura [bar]
P = potencia [kW]
Figura 7. Leyes de similitud
Las fórmulas muestran que si se disminuye la velocidad de la bomba en un 50%, el caudal también se reducirá en un 50%. La altura se reducirá al 25%, y el consumo de energía se reducirá al 12,5%.
Arreglo de bombas centrífugas
En los procesos u operaciones industriales existen requerimientos de flujo en los que es necesario utilizar un sistema de bombeo con más de una bomba; esto puede ser porque la demanda de gasto o de carga del proceso sea excesivamente variable .El uso de dos o más bombas, en lugar de una, permite que cada una de ellas opere en su mejor región de eficiencia la mayor parte del tiempo de operación, aún cuando los costos iniciales pueden ser mayores, el costo de operación más bajo y la mayor flexibilidad en la operación ayuda a pagar la inversión inicial. De acuerdo con la necesidad, se pueden presentar casos en que es necesario que el sistema esté integrado por pares motor bomba iguales o pares diferentes.
Si la demanda en el proceso es la de tener un alto gasto con una altura constante (no necesariamente) se debe utilizar un arreglo en paralelo (Fig 7)
Se cumple que: Q = Q1 + Q2 y H = H1 = H2
Figura 8. Arreglo y curva característica de 2 bombas en paralelo
Cuando la necesidad de operación sea la de tener alta carga a gasto constante es necesario utilizar un arreglo en serie (Fig 8)
Se cumple que: H = H1 + H2 y Q = Q1 = Q2
Figura 9. Arreglo y curva característica de 2 bombas en serie.
III.- METODO OPERATORIO
IMPORTANTE: las perillas para regular la velocidad de rotación de los motores giran en sentido contrario de las agujas del reloj, por ello, antes de conectar la corriente debemos cerciorarnos que se encuentran en el tope del sentido contrario de las agujas del reloj
A. Curva característica de la bomba 1 a una velocidad fija de rotación.
1. Verificar que la válvula de succión de la bomba 1 se encuentra completamente abierta.
2. Colocar la válvula direccional del fluido de manera tal que, el flujo de descarga de la bomba 1 se dirija hacia el venturi y abrir completamente la válvula reguladora de caudal (según indica el sentido de la flecha).
3. Verificar que el dinamómetro 1 se encuentre nivelado a cero 4. Chequear la posición inicial de los manómetros.5. Fijar la referencia del manómetro diferencial6. Colocar en posición “ON” el interruptor del equipo7. Encender la bomba 1 y con ayuda de la perilla para regular la velocidad de
rotación, fijarla en 2500 RPM.8. Tomar nota de:
Altura del manómetro diferencial Presión de succión y descarga Fuerza de torque del motor
9. Con la válvula reguladora de caudal, ir variando el caudal descargado por la bomba y observar una nueva diferencia de altura en el manómetro diferencial
10. Repetir los pasos 8 y 9, varias veces, hasta que el caudal (reflejado en la diferencia de altura) sea mínimo.
11. Concluidas las mediciones, abrir completamente la válvula reguladora de caudal, regresar la perilla de velocidad de rotación a su mínimo y verificar que el dinamómetro 1 se encuentre nivelado a cero.
12. Colocar en posición “OFF” el interruptor del equipo.13. Con los datos obtenidos, calcular las características de funcionamiento y
construir la curva de la bomba.
B. Leyes de similitud
1. A partir de los datos obtenidos en A, comprobar el cumplimiento de las leyes de similitud para un diámetro de impulsor constante.
C. Acoplamiento en serie
1. Verificar que la válvula de succión de la bomba 1 se encuentra completamente abierta y cerrada la válvula de succión 2
2. Colocar la válvula direccional del fluido de manera tal que, el flujo de descarga de la bomba 1 se dirija hacia la zona de succión de la bomba 2
3. Asegúrese que la descarga de la bomba 2 se dirija hacia la válvula reguladora de caudal, la cual debe encontrarse completamente abierta (según indica el sentido de la flecha), y luego al venturi.
4. Verificar que los dinamómetros 1 y 2 se encuentre nivelados a cero 5. Chequear la posición inicial de los manómetros de succión de la bomba 1 y
descarga de la bomba 2.6. Fijar la referencia del manómetro diferencial7. Colocar en posición “ON” el interruptor del equipo8. Encender la bomba 1 y con ayuda de la perilla para regular la velocidad de
rotación, fijarla en 2500 RPM y luego, hacer lo mismo con la bomba 2. Ambas bombas deben trabajar simultáneamente.
9. Tomar nota de: Altura del manómetro diferencial Presión de succión bomba 1 y descarga bomba 2
10.Con la válvula reguladora de caudal, ir variando el caudal descargado por la bomba 2 y observar una nueva diferencia de altura en el manómetro diferencial
11.Repetir los pasos 9 y 10, varias veces, hasta que el caudal (reflejado en la diferencia de altura) sea mínimo.
12.Concluidas las mediciones, abrir completamente la válvula reguladora de caudal, regresar la perilla de velocidad de rotación a su mínimo (en ambas bombas) y verificar que los dinamómetros se encuentren nivelados a cero.
13.Colocar en posición “OFF” el interruptor del equipo.14.Graficar, en un mismo papel, altura en función de caudal de la bomba 1 y de
las bombas acopladas en serie.15.Comparar ambas curvas y discutir.
D. Acoplamiento en paralelo
1. Verificar que la válvula de succión de las bomba 1 y 2 se encuentran completamente abiertas
2. Colocar la válvula direccional del fluido de manera tal que, el flujo de descarga de la bomba 1 se dirija hacia la válvula reguladora de caudal (completamente abierta) donde se encontrará con el fluido descargado por la bomba 2, y luego, ambos flujos irán en dirección hacia el venturi.
3. Verificar que los dinamómetros 1 y 2 se encuentren nivelados a cero
4. Chequear la posición inicial de los manómetros de succión y descarga de las bombas 1 y 2.
5. Fijar la referencia del manómetro diferencial6. Colocar en posición “ON” el interruptor del equipo7. Encender la bomba 1 y con ayuda de la perilla para regular la velocidad de
rotación, fijarla en 2500 RPM y luego, hacer lo mismo con la bomba 2. Ambas bombas deben trabajar simultáneamente.
8. Tomar nota de: Altura del manómetro diferencial Presión de succión y descarga de las bombas 1 y 2
9. Con la válvula reguladora de caudal, ir variando el caudal y observar una nueva diferencia de altura en el manómetro diferencial
10. Repetir los pasos 8 y 9, varia veces, hasta que el caudal (reflejado en la diferencia de altura) sea mínimo.
11. Concluidas las mediciones, abrir completamente la válvula reguladora de caudal, regresar la perilla de velocidad de rotación a su mínimo (en ambas bombas) y verificar que los dinamómetros se encuentren nivelados a cero.
12. Colocar en posición “OFF” el interruptor del equipo.13. Graficar, en un mismo papel, altura en función de caudal de la bomba 1 y de
las bombas acopladas en paralelo.14. Comparar ambas curvas y discutir.
ECUACIONES PARA EL CÁLCULO DE LAS CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS
Caudal del venturi
(m3/s)
Cv: coeficiente del venturi (adimensional) (Cv= 0,98)Av: área de la garganta del venturi (m2)g : constante de gravedad 9,817 m/s2
∆P: caída de presión (Pa)γ : gravedad específica del fluidoAT : área de la tubería (m2) (DT=0,036 m)Ag : área de la garganta (m2) (Dg=0,0218 m)
Altura de descarga de la bomba
Q=Cv∗Av √ 2g( ΔP/ γ )1−( Ag / AT )2
Hb=Pd−P s
ρ∗g (m)
Pd: presión de descarga (Pa)Ps: presión de succión (Pa)ρ: densidad del fluído (Kg/m3)g : constante de gravedad 9,817 m/s2
Potencia hidráulica
Ph=g∗ρ∗Hb∗Q (watts)
ρ: densidad del fluído (Kg/m3)g : constante de gravedad 9,817 m/s2
Hb: altura de descarga de la bomba (m)Q: caudal (m3/s)
Potencia mecánica
Pm=F∗RPM53. 35
(watts)
F: fuerza de torque (newtons)
Eficiencia
η=Ph
Pm
∗100
BIBLIOGRAFÍA
KARASSIK & CARTER. Bombas Centrífugas
McNAUGHTON. Bombas
Bomba 2
Bomba 1
Manómetrosbomba 2
Válvula de succión 2
Dinamómetro 2
Venturi
Manómetro diferencial
Dinamómetro 1
Manómetrosbomba 1
Válvula de succión 1
Válvula reguladora de caudal
Válvula direccional del fluido
ZUBICARAY, Manuel. Bombas, teoría, diseño y aplicaciones
HICKS,T. Bombas, selección y aplicaciones
Figura 10. Partes básicas del banco de prueba de bombas centrífugas
PRACTICA 4. CARACTERIZACION DE PARTICULAS SÓLIDAS
I. OBJETIVOS
General:
Caracterizar un conjunto de partículas sólidas de acuerdo a su densidad, porosidad…
Específicos:
Determinar la densidad y porosidad de un conjunto de partículas sólidas utilizando el método directo.
Determinar la densidad y porosidad de un conjunto de partículas sólidas utilizando el método indirecto.
Comparar la densidad y porosidad obtenidas por ambos métodos empleados.
II. MATERIALES Y EQUIPOS
Balanza Analítica. Piseta. Espátula. Matraces Aforados. Cilindros Graduados. Beacker. Bandejas de Aluminio. Termómetro. Sólidos de Prueba.
III. CONOCIMIENTOS PREVIOS
Principio de Arquímedes Densidad de sólidos. Porosidad. Métodos para la determinación de la densidad y porosidad partículas sólidas.
IV. MÉTODO OPERATORIO
A.- Determinación de la densidad y porosidad de un sólido por el método directo.
Densidad
1. Se pesan m (g) de masa de un sólido en una bandeja de aluminio.
2. Mida un volumen V0(ml) de agua empleando un cilindro graduado.
3. Luego, introduzca el sólido pesado m (g) en el cilindro graduado que contiene el volumen V0 (ml) de agua. Sea Vf (ml) el volumen final obtenido.
4. A través de la diferencia entre Vf y V0 , se obtiene el volumen que ocupa la masa (m) del sólido. Calcule la densidad del mismo empleando la siguiente ecuación:
ρ= mV f−V 0
5. Repita la experiencia, de 3 a 4 veces, variando la masa m del sólido hasta obtener un valor de densidad constante*
6. Una vez concluida la actividad, vaciar y filtrar el contenido del cilindro graduado, lavar si es necesario.
*La densidad es una propiedad intensiva
Figura 11. Densidad método directo
Porosidad
1. Colocar en un cilindro un volumen V1 de partículas (sin comprimir)2. Colocar en otro cilindro, un volumen V2 de agua, igual a V1. Siendo V3 el
volumen total obtenido (agua más sólido).3. Colocar el volumen V2 (agua) en el cilindro con el volumen V1 (sólido)4. Tomar nota del volumen total obtenido, es decir V3
5. Calcule la porosidad del lecho de partículas sólidas a través de la expresión:
m.ρH2O(m1 + m – m2)ρsólido =
ε=(2V 1−V 3 )
V 1
Figura 12. Porosidad método directo
B.- Determinación de la densidad y porosidad de un sólido por el método indirecto.
Densidad
1. Llenar y aforar con agua un matraz aforado (50,00 ml). Determine la masa la cual será m1.
2. Vaciar el matraz.3. Pesar m (g) de masa de un sólido en una bandeja de aluminio.4. Introducir en el matraz el sólido pesado m (g).5. Luego, llenar y aforar con agua. Determine la masa que será m2.6. Mida la temperatura del agua.7. Calcule la densidad (ρsólido) del sólido según la siguiente expresión:
8. Repita la experiencia, de 3 a 4 veces, variando la masa m (g) del sólido hasta obtener un valor de densidad constante*
9. Una vez concluida la actividad, vaciar y filtrar el contenido del matraz aforado, lavar si es necesario.
*La densidad es una propiedad intensiva.
V3V2 V1
=+
Figura 13. Densidad método indirecto
Porosidad
1. Colocar en un cilindro un volumen V de partículas (sin comprimir), tomar nota. Luego, esa cantidad de sólido pesarla, y de esta manera se conoce la masa correspondiente a V.
2. Dividir la masa (m) entre el volumen (V) para conocer la densidad aparente3. La densidad obtenida a través del método directo, representa la densidad del
sólido.4. Calcular la porosidad a través de la siguiente expresión:
ε=1−ρaparente
ρsolido
Figura 14 . Porosidad método indirecto
m1 m2
m
m V
BIBLIOGRÁFIA
FOUST, A. OPERACIONES BASICAS DE LA INGENIERIA QUIMICA. Editorial Marín.
BAÑEZ, Raymundo. TRATADO ELEMENTAL DE TECNOLOGIA QUIMICA. Editorial Vicens-Vives.
SEARS, F. W. ZEMANSKY, M. W. Y YOUNG, HD. “FÍSICA UNIVERSITARIA”. Addison Wesley Universitaria
PRACTICA 5. TAMAÑO DE PARTICULAS SÓLIDAS
I.-OBJETIVOS
General:
Determinar el diámetro promedio de un sólido granular empleando la técnica de tamizado
Específicos: Determinar el tiempo de agitación y/o masa mínima de sólido que debe usarse
para realizar un análisis granulométrico con resultados reproducibles.
Determinar la composición por tamaños de un sólido granular. Construir los gráficos de distribución por tamaños de sólido granular.
II.- MATERIALES Y EQUIPOS
Agitador de tamices Tamices de diferentes mallas Sólidos de prueba Balanza de precisión Brocha Recipientes para pesadas
III.- CONOCIMIENTO PREVIO
Análisis granulométrico. Técnica de tamizado. Gráficas características de un análisis granulométrico por tamizado. Composición en peso. Diámetro promedio entre tamices. Diámetro promedio de partícula.
Las propiedades físicas y químicas de los sólidos varían en función de su distribución granulométrica. Por esta razón, para poder efectuar controles de calidad en polvos y granulados, es imprescindible conocer la distribución por tamaño de las partículas en los mismos. Sólo si la distribución granulométrica se mantiene igual, puede garantizarse una calidad constante del producto, como lo demuestran los siguientes ejemplos:
La resistencia del hormigón depende del tamaño de grano del cemento. El sabor del chocolate cambia según la finura de grano del cacao. En los detergentes en polvo, la finura y la forma de las partículas de la materia
prima determinan las propiedades de disolución y el comportamiento de aglomeración de los mismos.
Existen distintos métodos para medir el tamaño de partículas, el más común es el
análisis por tamizado.
El tamizado se realiza haciendo pasar al producto sobre una superficie provista de orificios del tamaño deseado, denominada tamiz. El aparato puede estar formado por barras fijas o en movimiento, por placas metálicas perforadas, o por tejidos de hilos metálicos.
El material que no atraviesa los orificios del tamiz se designa como rechazo o fracción positiva, y el que lo pasa se llama tamizado o fracción negativa. Utilizando más de un tamiz, se producen distintas fracciones de tamizado y pueden designarse según los tamaños de los orificios o según el número de mallas por unidad de superficie, utilizados en la separación. Estas fracciones, estará formada por partículas de tamaño más uniforme que la mezcla original.
En el tamizado, el diámetro promedio de las partículas se determina a través de los métodos gráficos y teorico
Método gráfico:
Se encuentran: el diferencial y el acumulativo.
Método Diferencial: aquí el valor del diámetro de la partícula es un valor promedio entre el diámetro de la malla que paso la muestra y la malla sobre la cual quedo retenida.
Método acumulativo: se halla la fracción o porcentaje de partículas de arena acumulada en cada tamiz y se grafica en función del diámetro promedio de partículas entre dos tamices sucesivos ( di’ ), esta gráfica viene representada por una curva de distribución normal o curva de Gauss, que permite obtener el valor del diámetro promedio total.
Método teórico:
Se encuentran: el estadístico y el basado en área específica
Método estadístico: se basa en el cálculo del diámetro promedio a través de la expresión: dp= Σxi* di’, donde: (xi) representa la probabilidad de encontrar al azar una partícula cuyo diámetro esté comprendido en la clase i.
Basado en el área específica: Se determina por medio de la siguiente expresióndp= 1/Σ(xi/di) en el cual se considera que el factor de forma es el mismo para todas las partículas, lo cual por lo general es real.
Figura 15. Graficas representativas de un análisis por tamizado
III.-MÉTODO OPERATORIO
Para realizar el análisis por tamizado, los tamices se colocan apilados uno sobre otro, con el tamiz con abertura mayor arriba y progresivamente disminuyendo su tamaño, hasta llegar al tamiz inferior de menor abertura y bajo el cual se coloca un tamiz recipiente llamado colector.
A. Determinación del tiempo mínimo de agitación
1. Se pesa una cantidad fija de sólido granular (m)2. La muestra se agrega a una serie de tamices o mallas ordenados de forma
descendente y cuyas aberturas dependerán del tipo de sólido empleado (fino o grueso).
3. Se somete a un tiempo de agitación t1
4. Una vez concluido el tiempo de agitación, la cantidad de muestra retenida en cada uno de los tamices se cuantifica en la balanza obteniendo de esta manera
el peso. 5. Limpiar bien los tamices y pesar una nueva cantidad de sólido igual a la anterior 6. Calcular las fracciones retenidas de sólido en cada tamiz y graficar en función de
los diámetros promedio entre los dos tamices consecutivos (d1+ d2)/2 (método acumulativo)
7. Repetir los pasos del 1 al 6 para diferentes tiempos de agitación.8. El tiempo mínimo de agitación será aquel a partir del cual las graficas de
distribución se superpongan.
B. Determinación de la masa mínima de alimentación
1. Se pesa una cantidad de solido m1 y se agrega a una serie de tamices o mallas ordenados de forma descendente y cuyas aberturas dependerán del tipo de sólido empleado (fino o grueso).
2. Se fija un tiempo de agitación y una vez concluido, la cantidad de muestra retenida en cada uno de los tamices se cuantifica en la balanza obteniendo de
esta manera el peso retenido. 3. Limpiar bien los tamices y pesar una nueva cantidad de sólido distinta a la
anterior. 4. Calcular las fracciones retenidas de sólido en cada tamiz y graficar en función de
los diámetros promedio entre dos tamices consecutivos (d1+d2/2) (método acumulativo)
5. Se repiten los pasos del 1 al 4 para diferentes masas de alimentación6. La masa mínima de agitación será aquella a partir de la cual las graficas de
distribución se superpongan.
IV.-CALCULOS A REALIZAR
1. Determinar el diámetro promedio del sólido utilizando el método teórico basado en el área específica, es decir, utilizando las fracciones y diámetros promedios obtenidos para el tiempo mínimo de agitación o masa mínima de alimentación, a través de la siguiente ecuación:
1 Dp =
∑ (Xi / dpi)
donde:
Dp: Diámetro promedio de la muestra (mm)Xi: fracción de sólido ubicada entre los tamices d1 y d2 (mm)dpi : diámetro promedio entre tamices.
Figura 16. Agitador de tamices
BIBLIOGRAFÍA
FOUST, A. Operaciones Básicas de la Ingeniería Química. Editorial Marín. BAÑEZ, R. Tratado Elemental de Química. Editorial Vicens-Vives. W.L.BADGER, J.T.BANCHERO. Introducción a la Ingeniería Química.
PRACTICA 6. LECHOS POROSOS
I.-OBJETIVOS
General:
Estudiar el comportamiento de lechos estacionarios y fluidizados
Específicos:
Calcular la caída de presión (ΔP) en función de la velocidad promedio del fluido que circula a través del lecho estacionario, empleando la ley de Dracy,
Caracterizar el lecho fluidizado a través de sus tres parámetros adimensionales: número de Reynolds (Re) y los parámetros de Wilhelm y Kwauk (KΔP y KΔρ).
Determinar la caída de presión (ΔP) en función de la velocidad, según el tipo de fluidización, empleando la ecuación de Ergun
Graficar la caída de presión (ΔP) en función de la velocidad para ambos tipos de lechos
I. MATERIALES Y EQUIPOS
Montaje para el estudio de lechos estacionarios Equipo de fluidización Cronómetros Cinta métrica Beackers de 500 ml Pizeta
II. CONOCIMIENTOS PREVIOS
Flujo de fluidos a través de lechos porosos, lechos fijos, lechos prefluidizados, lechos fluidizados.
Permeabilidad. Ley de Darcy Fluidización discontinua y continua Ecuación de Ergun Número de Reynolds (Re) y los parámetros de Wilhelm y Kwauk (KΔP y KΔρ).
Si se hace circular un fluido a través de un lecho de sólidos, con dirección hacia abajo, no tiene lugar ningún movimiento relativo entre las partículas a menos que la orientación inicial de las mismas sea inestable. Si el flujo es laminar, la caída de presión a través del lecho será directamente proporcional a la velocidad de flujo aumentando más rápidamente a altas velocidades. Este enunciado se conoce como la ley de Darcy, la cual se utiliza con frecuencia para describir el flujo de fluidos a través de lechos estacionarios.
Darcy estableció que en régimen laminar la velocidad promedio del fluido (Vo) cuando este fluye a través de un lecho de partículas de espesor L, es proporcional a la perdida de carga que sufre el fluido por unidad de altura de lecho
V o=KΔPL
A su vez el valor de de la constante K depende de las propiedades físicas del lecho de partículas:
K= βμ
Donde β se define como la permeabilidad del lecho de partículas (β=m2) y µ la viscosidad del fluido.Cuando la velocidad de flujo a través de lechos estacionarios aumenta, la pendiente de la gráfica de caída de presión (ΔP) contra velocidad promedio (Vo) aumenta en forma gradual.
Figura 17. Dispositivo vertical de Darcy
Si el fluido circula a través del lecho en dirección ascendente, la caída de presión será la misma que en el caso anterior para velocidades bajas, pero cuando la resistencia por rozamiento sobre las partículas sea igual a su peso aparente (peso real menos empuje), éstas sufren una reordenación para ofrecer una resistencia menor al desplazamiento del fluido, momento en el cual éstas empiezan a moverse libremente, a mezclarse unas con otras y el lecho empieza a expansionarse (figura 18)
Figura 18. Etapas de la fluidización
Esta resistencia es la resultante del rozamiento total de todas las partículas del lecho. El rozamiento total por unidad de área es igual a la suma de dos tipos de fuerza: i) fuerzas de rozamiento viscoso y ii) fuerzas de inercia.Para explicar estos fenómenos se hacen varias suposiciones: a) las partículas están dispuestas al azar, sin orientaciones preferentes, b) todas las partículas tienen el mismo tamaño y forma y c) los efectos de pared son despreciables.
La pérdida friccional para flujo a través de lechos rellenos puede calcularse utilizando la expresión de Ergun:
La ecuación de Ergun se basa en la combinación de la ecuación de Kozeny-Carman para el flujo en la región viscosa y de la ecuación de Burke-Plummer para la región turbulenta. La importancia de los términos correspondientes a pérdidas viscosas y pérdidas turbulentas en la ecuación de Ergun se puede relacionar con el valor del número de Reynolds de partícula.
Cuando Rep < 20, el término de pérdida viscosa domina y puede utilizarse solo con un error despreciable.
Cuando Rep > 1000, sólo se necesita utilizar el término de pérdida turbulenta.
pérdidas viscosas
pérdidas turbulentas
También se observa durante este proceso una progresiva expansión del lecho, que va
teniendo una porosidad, ε, cada vez mayor a partir del punto de velocidad mínima de fluidización (εmf). El intervalo de velocidades útil para la fluidización está comprendido entre Vmf y la velocidad de arrastre, Va, para la cual las partículas sólidas son arrastradas fuera del lecho, la porosidad se aproxima a la unidad y el lecho deja de existir como tal.
Figura 19. Graficas características del proceso de fluidización de un lecho
III. MÉTODO OPERATORIO.
A. Flujo de fluidos a través de lechos estacionarios
1. Llenar la bureta hasta el cero de su graduación, manteniendo la llave de la salida
cerrada.Con ayuda de una cinta métrica, medir la altura inicial del fluido (ho) y la
altura del lecho (L)2. Establecer a lo largo de la bureta, las distintas alturas del fluido (h), mientras éste
pasa por el lecho, considerando que la última lectura de h esté a dos o tres centímetros antes del lecho de arena.
3. Abrir la llave a la salida de la bureta e inmediatamente activar el cronómetro para medir el tiempo en el cual el menisco del fluido pasa por cada h establecido. Se obtendrán medidas de tiempo (t) en segundos para cada h.
4. Repetir el paso anterior, de cuatro a cinco veces.
Figura 20. Montaje para el estudio de lechos estacionarios
B. Flujo de fluidos a través de lechos fluidizados
1. Medir la altura inicial del lecho.
ho
aren
algodón
h1 h1
h2 h1
hn h1
L
2. Encender el compresor y mover la válvula de flujo de gas según las marcas indicadas.
3. Empezar las mediciones desde lecho fijo, para lo cual se debe registrar la diferencia de altura del manómetro tipo “U” que corresponde al medidor de la placa orificio y la diferencia de altura del manómetro conectado al fluidizador.
4. Luego de fluidizado el lecho, medir la altura del lecho a partir de un promedio entre la mayor y menor altura del mismo.
5. Registrar la diferencia de altura correspondiente al manómetro del lecho y al manómetro de la placa de orificio.
6. Incrementar el caudal del aire que circula por el sistema, para lo cual se debe abrir la válvula de flujo de gas.
7. Repetir los pasos 5 y 6 en cada medición hasta llevar la válvula de flujo de gas al máximo, según lo indicado.
8. Repetir los pasos 5 y 6 en sentido descendente, luego de la última medida.
9. Cerrar las válvulas y apagar el compresor.
IV.-CALCULOS A REALIZAR
A. Flujo de fluidos a través de lechos estacionarios
1. Según la siguiente expresión:
Ln[ hoh ]=[ gρ
μLβ
+Ka ]∗t
Donde:
ho = altura inicial del fluido (m)h = altura del fluido a un tiempo t (m)g = gravedad (m/s2)ρ = densidad (kg/m3)μ = viscosidad (Pa.s)L = altura del lecho (m)β = permeabilidad (m2)
Ka = constante de proporcionalidad entre la pérdida de carga y la velocidad del agua cuando se realiza el experimento (kg / m2. s2)
Al Graficar Ln[ ho
h ]vs ( t ) se debe obtener una recta, de pendiente positiva (m)
cuyo valor se igual a la expresión[ gρ
μLβ+Ka ]
y de la cual se despeja el
término ( μL
β )2. Calcular la velocidad promedio del fluido (Vo) para cada h; y a través del la ley de
Darcy se conoce la caída de presión para cada velocidad promedio
Donde:
ΔP= caída de presión del fluido (Pa)μ = viscosidad (Pa.s)L = altura del lecho (m)β = permeabilidad (m2)
Vo=velocidad promedio del fluido (m/s)
B. Flujo de fluidos a través de lechos fluidizados
1. Determinar los parámetros adimensionales.
Número de Reynolds:
donde:
Re: Número de Reynolds, (adimensional).
ρ f: Densidad del fluido, (kg/m3)
Dp: Diámetro de la partícula, (m)
V: Velocidad del fluido, (m/s)
: Viscosidad de fluido, (Pa·s)
ΔP= μLβ
V 0
Parámetro de Wilhelm:
donde:
ρf : Densidad del fluido, (kg/m3)
Dp: Diámetro de la partícula, (m)
: Caída de presión, del lecho (Pa)
Lo: Altura inicial del lecho, (m)
: Viscosidad del fluido, (Pa·s)
gc: Factor de conversión gravitacional, (1 (kg·m/s2)/N)
Parámetro de Kwauk:
donde:
ρf : Densidad del fluido, (kg/m3)
Dp : Diámetro de la partícula, (m)
: Densidad de las partículas del lecho, (kg/m3)
: Viscosidad de fluido, (Pa·s)
gc: Factor de conversión gravitacional, (1 (kg·m/s2)/N)
2. Determinar la caída de presión del lecho, empleando la siguiente relación:
Lechos fijos:
(Ec de Ergun)
donde:
: Viscosidad de fluido, (Pa·s])
: Velocidad superficial de fluidización, (m/s)
Dp: Diámetro de la partícula, (m)
ε: Porosidad, [adimensional].
: Densidad del fluido, [kg/m3].
: Caída de presión, [Pa].
L: Longitud del lecho, [m].
Para lechos fluidizados:
donde:
ε : Porosidad, [adimensional].
: Densidad de las partículas del lecho, [kg/m3].
ρf: Densidad del fluido, [kg/m3].
: Caída de presión, [Pa].
L: Longitud del lecho, [m].
g: Aceleración de gravedad, [m/s2].
3. Determinar la porosidad del lecho, empleando la siguiente relación:
donde:
: Porosidad inicial del lecho, [adimensional].
: Porosidad, [adimensional].
Lo: Altura inicial del lecho, [m].
L: Altura del lecho en un momento dado, [m].
BIBLIOGRAFIA.
GRANGER, B. Operaciones Básicas de la Ingeniería. Química. Editorial Marín. PERRY,R. Manual del Ingeniero Químico. Editorial Mc Graw-Hill. Tomo II. 6ª
EDICIÓN. COULSON AND RICHARDSON’S.CHEMICAL ENGINEERING. Particle
technology and separation processes. Volume 2 fifth edition. Butterworth Heinemann.
PRACTICA 7. DESTILACION A REFLUJO TOTAL
I. OBJETIVOS.
General: Determinar el número mínimo de etapas de una columna de destilación reflujo total empleando dos métodos diferentes.
Específicos:
Estudiar el funcionamiento a reflujo total de una columna de destilación Aplicar el método de McCabe-Thiele a una columna de destilación a reflujo total. Comparar el número de platos teóricos obtenidos gráficamente con el obtenido a
través de la relación de Fenske
II. MATERIALES Y EQUIPOS Columna de destilación a reflujo total IC-18DV Refractometro Beackers Portamuestras
III. CONOCIMIENTOS PREVIOS
Diagramas de Ebullición y Equilibrio de mezclas binarias. Destilación a reflujo total. Relación de Fenske. Método de McCabe-Thiele
IV. METODO OPERATORIO.
1. Vaciar la columna y analizar la mezcla para determinar su composición.2. Ajustar la mezcla de alimentación a una composición entre 8% y 10%3. Agregar la mezcla al calderin de la columna.4. Hacer circular el agua en los refrigerantes.5. Calentar progresivamente hasta obtener el régimen permanente.6. Una vez alcanzado el régimen, tomar las muestras respectivas y analizarlas para
conocer su composición.7. Apagar el calentamiento y cerrar el agua de refrigeración 15 min después.
Advertencia: El equipo de trabajo es sumamente frágil y se deberá operar con sumo cuidado para evitar accidentes.
V. CALCULOS A REALIZAR
1. Determinar el número de etapas por el método gráfico de McCabe-Thiele2. Determinar el número de etapas de forma analítica a través de la relación de
Fenske .
Tabla 1. DATOS DE EBULLICIÓN Y EQUILIBRIO DEL SISTEMA ETANOL-AGUA A 720 mmHg
Temperaturaebullición
(º C)
Fracción molarliquido
(x)vapor
(y)76 1 175 0.88137 0.88137
75.5 0.74145 0.8180876 0.68905 0.7981477 0.53984 0.7414578 0.28112 0.6724580 0.18030 0.5809782 0.11532 0.4771188 0.05063 0.3233992 0.02017 0.1435497 0.00000 0.00000
BIBLIOGRAFIA.
TREYBALL, R. Operaciones de Transferencia de Masa. HINES, A- MADDOX, R. Operaciones de transferencia de masa. Fundamentos y
aplicaciones. PERRY, J. Manual del Ingeniero Químico Tomo IV (Destilación). FOUST, A. Principios de Operaciones Unitarias. Editorial Continental. México. Mc CABE, W. Operaciones Básicas de Ingeniería Química.
PRACTICA 8. EXTRACCIÓN LÍQUIDO- LÍQUIDO.
I. -OBJETIVOS
General:
Realizar un proceso de extracción líquido–líquido en una sola etapa y en corrientes paralelas, de la mezcla ternaria acetona-hexano-agua.
Específicos:
Realizar un balance de materia. Evaluar la eficiencia del equipo.
II. MATERIALES Y EQUIPOS
Equipo de extracción líquido-líquido Cronómetro Balanza de precisión Beackers de 500,0 ml
III. CONOCIMIENTOS PREVIOS
Extracción en fase líquida.Contacto por etapas. Extracción en una etapa.Evaluación de la eficiencia en los procesos de extracción.
La extracción líquido-líquido es, junto a la destilación, la operación básica más importante en la separación de mezclas homogéneas líquidas. Consiste en separar una o varias sustancias disueltas en un disolvente mediante su transferencia a otro disolvente insoluble, o parcialmente insoluble, en el primero. La transferencia de materia se consigue mediante el contacto directo entre las dos fases líquidas. Una de las fases es dispersada en la otra para aumentar la superficie interfacial y aumentar el caudal de materia transferida
En una operación de extracción líquido-líquido se denomina alimentación a la disolución cuyos componentes se pretende separar, disolvente de extracción al líquido que se va a utilizar para separar el componente deseado, refinado a la alimentación ya tratada y extracto a la disolución con el soluto recuperado (ver fig. 11)
Figura 21.Esquema de una operación de extracción líquido-líquido
IV.-MÉTODO OPERATORIO
1- Pesar la mezcla acetona-hexano 2- Medir el índice de refracción de la mezcla
3- Determinar la concentración de la misma, empleando para ello la curva de
calibración. Ejemplo: Índice de refracción= 1.3745 %p/p=
1.3570
1.3580
1.3590
1.3600
1.3610
1.3620
1.3630
1.3640
1.3650
1.3660
1.3670
1.3680
1.3690
1.3700
1.3710
1.3720
1.3730
1.3740
1.3750
1.3760
1.3770
1.3780
Curva de calibracion acetona-hexano
2010ηd 26 ºC
% p/p
4- Ajustar la concentración a 10% p/p (de ser necesario), adicionando acetona y hexano.
Xm
5- Fijar el caudal de solvente (S) en 4,36 Kg/h (transformar a g/s), empleando la válvula a la salida del tanque homogenizador (fig.12)
6- Una vez establecido el caudal de solvente, introducirlo en el tanque de agitación, manteniendo la válvula de extracto del sedimentador, abierta
7- Emplear una relación de F/S=1.5 para conocer el caudal de alimentación de la mezcla.
8- Fijar el caudal de alimentación colocando, inicialmente, la perilla de control de velocidad de la bomba peristáltica en la posición 3 e incrementar, si es necesario.
9- Colocar la agitación del tanque mezclador en posición y unir ambos caudales.10- Realizar el siguiente balance de masa:
M= F+S General
MXm = FXf + SXs Componente
11- Calcular Xm , empleando el diagrama triangular, como se muestra a continuación:
Xm = FXm/M
12-Efectuar el balance de masa para:
M= E+R General
MXm = EXe + RXr Componente
13- Calcular y fijar los caudales de la corriente de extracto y refinado (E, R) manteniendo completamente abierta la válvula de la corriente de refinado.
14- Analizar la composición de las corrientes de extracto y refinado, cada 5 min. Tomando una muestra y midiendo el índice de refracción, para comprobar el régimen estacionario
SEDIMENTADOR
CORRIENTEDE REFINADO
CORRIENTEDE EXTRACTO
(M)
SOLVENTE(s)
MEZCLAACETONA-HEXANO
ALIMENTACIÓN(F)
BOMBAPERISTÁLTICA
Figura 22. Instalación de extracción líquido–líquido en una sola etapa y en corrientes paralelas.
Tabla 2. DATOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA CURVA DE SOLUBILIDADDEL SISTEMA ACETONA, HEXANO Y AGUA, A 26°C.
% acetona % agua % hexano
TANQUE DE AGITACION
13,57 86,31 0,1228,18 71,67 0,1537,73 62,06 0,2144,48 55,21 0,3145,62 54,37 0,3759,08 39,33 1,5962,76 35,41 1,83
63,18 34,92 1,9071,84 23,74 4,4273,37 19,71 6,9274,01 15,90 10,9071,04 11,74 17,2261,27 5,31 33,4250,80 2,56 46,6440,96 0,97 58,07
33,72 0,39 65,89
19,25 0,14 80,61
Tabla 3. LINEAS DE REPARTO PARA EL SISTEMA ACETONA, HEXANO, AGUA A 26°C
EXTRACTO(Fase rica en agua) REFINADO(Fase rica en hexano)
%ACETONA %HEXANO %AGUA %ACETONA %HEXANO %AGUA27,01 0,19 72,80 9,28 90,72 0,043,55 0,35 56,10 21,10 78,60 0,352,61 0,89 46,50 29,28 70,32 0,456,10 1,20 42,70 33,85 65,65 0,557,67 1,26 41,10 36,21 62,99 0,863,00 2,00 35,00 44,21 54,49 1,268,52 2,89 28,50 52,18 46,02 1,8
BIBLIOGRAFÍA
TREYBALL, R. Extracción en Fase Líquida. Editorial Hispano-Americana. TREYBALL, R. Operaciones de Transferencia de Masa. McGraw-Hill.