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UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL

IWQ222 – Transferencia de Calor

Informe de Laboratorio N°1 Balances de Energía

Profesor

Sebastián Amaro

Ayudante

Juan Pablo López

Bloque

Jueves 9-10

Alumnos

Rodrigo Ibaceta Laura Ramírez

05 de 11 de 2015

Laboratorio de Transferencia de Calor. Experiencia 1: Balances de Materia y Energía

1. RESUMEN EJECUTIVO En el presente informe se entrega el desarrollo de la experiencia número 1 de laboratorio, cuyo objetivo es estudiar y comprobar experimentalmente el calor de reacción y el calor de dilución en un reactor, además de conocer los procesos de balance de materia y energía en dos equipos, con la finalidad de acercar los conocimientos aprendidos en el aula con la aplicación real y procesos industriales. En la primera instancia de la experiencia se hizo reaccionar 0.5 [g] de virutas de aluminio con 25 [ml] de acido clorhídrico 6 [M], con a una temperatura de 25 [°C]. El sistema alcanzó una temperatura final de 78[°C], y se determinó que corresponde a una reacción exotérmica. Se calculó que el calor/energía transferida a la mezcla para poder llevar a cabo la reacción fue de 4954,44 [J]. Además se comparó la temperatura final obtenida con la temperatura teórica que se esperaba alcanzar arrojando un error de 43% En la segunda parte del laboratorio se preparó una solución al 20% en peso de NaOH con agua, el cual alcanzó una temperatura máxima inicial de 54 [°C] por el fenómeno de disolución y luego se a diluyo la mezcla agregando 20 [ml] de agua alcanzado una temperatura de 48 [°C]. Utilizando el gráfico de Entalpía v/s Concentración se pudo encontrar la temperatura teórica si la dilución se encontrara en un sistema completamente 𝐽

aislado y se obtuvo 232,6 [𝑔], sin embargo el resultado experimental corresponde a 133,75[J/g] La tercera y última parte de esta experiencia se trata el balance másico y energético de un circuito de agua con un reactor agitado, un intercambiador de calor y un calefactor. El equipo Armfield HT-30 fue ajustado a 50 [°C]. Al introducir al sistema agua a 13,4 [°C] a través de una válvula, se procede a obtener una base de datos que, en su conjunto, indican temperaturas, flujos, densidad y calores específicos asociados a cada rama del circuito. Estas mediciones se finalizan una vez que el sistema llega a un estado estacionario. Se J

obtuvo una diferencia energética de 300 [s] entre el intercambiador de calor y el estanque enchaquetado, finalmente la temperatura de salida del agua fue de 21,23 [°C].

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2. ÍNDICE

1.

Resumen Ejecutivo .......................................................................................................... 1

2.

Índice ............................................................................................................................... 2

3.

Objetivos ......................................................................................................................... 3

4.

Descripción del fenómeno ............................................................................................... 4

5.

Resultados ....................................................................................................................... 5 Primera parte: Calor de reacción......................................................................................... 5 Segunda Parte: Calor de dilución ........................................................................................ 9 Tercera Parte: Balance de materia y energía para un sistema continuo ............................ 13

6.

Conclusiones y recomendaciones.................................................................................. 19

7.

Bibliografía.................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

8.

Anexos........................................................................................................................... 21

Laboratorio de Transferencia de Calor. Experiencia 1: Balances de Materia y Energía

3. OBJETIVOS  Comprender cabalmente los balances de materia y energía en forma global para cualquier sistema.  Realizar correctamente balances de materia y energía para los sistemas según corresponda.  Entender y generar familiaridad con términos relacionados principalmente a los balances de energía, tales como calor de dilución, calor de disolución, calor latente, calor sensible, calor de reacción, sistemas isotérmicos, sistemas adiabáticos, etc.  Aprender a utilizar de manera adecuada gráficos de entalpía-composición sistemas binarios.  Cuantificar mediante datos experimentales las pérdidas de energía en un sistema no adiabático.  Determinar el calor transferido por dos corrientes sin mezclado entre ellas.

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4. DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO Calor de reacción: Se define como la energía absorbida o liberada por un sistema cuando los productos de la reacción alcanzan la misma temperatura de los reactantes, debido a la formación o destrucción de enlaces atómicos producto de la formación nuevos iones o compuestos. (1) En esta experiencia, la reacción comprende virutas de Aluminio en una solución de ácido clorhídrico, por la fenomenología la reacción produjo una liberación de calor aumentando la temperatura de la solución, demostrando la característica de reacción exotérmica. Además se agita la solución, con la finalidad que el acido ataque la capa pasiva de oxido 𝐴𝑙2 𝑂3 y la disuelva, para luego reaccionar con el aluminio aumentando la cinética de la reacción. Calor de dilución: Consiste en el calor liberado cuando un sólido o gas se disuelve en un líquido, o cuando dos líquidos se mezclan, el proceso ocurre mediante el rompimiento de enlaces entre las moléculas de los reactantes y la formación nuevas moléculas o productos. Este proceso se ve acompañado por una absorción o liberación neta de energía, lo cual produce modificaciones en la energía interna y entalpías de mezcla y los componentes puros. (1) En esta experiencia, se utilizó hidróxido de sodio y agua, se produjo un aumento de temperatura de la solución y una liberación de calor al añadir el hidróxido comportamiento exotérmico de la reacción. Finalmente al diluir la mezcla preparada, la solución disminuyó su temperatura en presencia del agua. Balance de materia y energía: Son producto de las leyes de conservación de materia y energía, y se usan para medir los flujos de materia y energía a través de las operaciones de procesos. En un estado estacionario no existe acumulación de materia y ni energía. (1) Esta experiencia consiste en manejar flujos a distintas temperaturas y disponerlos de forma que tengan contacto y se produzca una transferencia de calor, sin transferencia de materia. De esta forma el calor fluirá desde el flujo de mayor al de menor temperatura, siguiendo la tendencia del gradiente de temperatura que es la fuerza motriz, hasta alcanzar el equilibrio térmico.

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5. RESULTADOS PRIMERA PARTE: CALOR DE REACCIÓN i.

Escriba la ecuación balanceada para la reacción entre Ácido Clorhídrico y Aluminio. Todos los coeficientes deben ser números enteros. 6 𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑐) + 2 𝐴𝑙𝑠 = 2 𝐴𝑙𝐶𝑙3 (𝑎𝑐) + 3 𝐻2 (𝑔)

ii.

Presente el balance de materia y energía, a modo general, para este sistema.

El balance de materia vendría dado por la reacción: 𝑛 𝐻𝐶𝑙𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 + 𝑛 𝐴𝐿 = 𝑛 𝐴𝑙𝐶𝑙3 + 𝑛 𝐻2 + 𝑛 𝐻𝐶𝑙𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 La presencia de HCl al final de la reacción se explica por su presencia en exceso, además considerando que el agua permanece constante no se incluye en el balance. El balance de energía vendría dado por: 𝐴𝑐𝑐 = 𝐼𝑛 − 𝑂𝑢𝑡 + 𝐺𝑒𝑛 − 𝐴𝑏𝑠 ± 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠 Luego si tomamos en consideración que el sistema es adiabático, por lo cual el calor transferido es igual a cero, que no ocurren flujos de materia ni energía por lo cual In y Out es igual a cero y finalmente que la reacción es exotérmica, por lo cual no existe calor absorbido, el balance de energía quedaría: 𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 = 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑄𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 1 + 𝑄𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 2 = ∆𝐻𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 Donde: Qsensible 1 = Calor necesario para llevar a las especies de la reacción hasta 25 [°C] Qsensible 2 = Calor requerido para llevar a las especies desde 25 hasta 75 [°C] ΔHreacción = Entalpia de reacción a 25 [°C] y 1 [atm]

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iii.

Calcule, responda y comente:

a) Calor absorbido por la mezcla [J]. En primer lugar es necesario hacer una recopilación bibliográfica de las especies que reaccionan en condiciones estándar: Tabla 1: Datos físicos y químicos de las especies de la reacción (2)

Al(s) HCl(ac) AlCl3(ac) H2(g)

PM [g/mol] 27 36,5 133,33 2,02

Cp [J/mol*K] 23,77 29,14 91,79 28,61

ΔHf [kJ/mol] -167 -1029,75 -

H2 O(l)

18

75,33

-

Especie

Asumiendo que la reacción de la mezcla presenta una conversión completa el Aluminio corresponde al reactivo limitante. Datos:     

Volumen HCl 6 [M]: 25 [ml] Masa Al: 0,5 [g] Temperatura inicial: 25 [°C] Temperatura final: 78 [°C] Densidad HCl 6 [M]: 1,1 [g/ml]

Calculando los moles de Aluminio en la reacción: 𝑛 𝐴𝑙 =

0.5 [𝑔] 𝑔

27 [𝑚𝑜𝑙 ]

= 0,02[𝑚𝑜𝑙]

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Entonces la reacción se produciría: Tabla 2: Reacción ocurrida durante la experiencia 2 Al (s) + 6HCl (ac) 0,02 0,02 0

n.i n.r n.f

=

2AlCl3 (ac) 0,02 0,02

0,15 0,06 0,09

3H2 (g) 0,03 0,03

Asumiendo que el agua absorbe calor de la reacción por lo que se incluirá en los cálculos. Además la densidad del HCl 6M son 1,11 [g/mL], con esto los moles de agua son: 𝑛𝐻2𝑂 =

𝑚𝐻2𝑂 [𝑔]

g

nH2O =

𝑔

𝑃𝑀𝐻2𝑂 [𝑚𝑜𝑙]

(1,11 [mL] x25[mL]) − (6 [

(𝑚𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛 − 𝑚𝐻𝐶𝑙 )[𝑔]

=

moles L g

𝑔

𝑃𝑀𝐻2𝑂 [𝑚𝑜𝑙] g

] ∗ 0,025 [L] ∙ 36,5 [mol])

18[mol]

= 1.24 [moles]

Luego el balance energético se da por energía acumulada y generada: ∆HRx = ∑(∆HProductos − ∆HReactantes ) = ∑ ni ∗ Cpi ∗ ∆T Q = (nAlCl3 CpAlCl3 + nH2 CpH2 − nHCl CpHCl + nH2 O CpH2 O ) ∗ ∆T J Q = (93,48 [ ]) ∗ (78 − 25) K = 4954,44 [J] K Este calor corresponde a la energía transferida a la mezcla para poder llevar a cabo la reacción. b) Δ𝐻𝑟𝑥𝑛 experimental en [J/g] y [J/mol] de metal utilizado. Considerando que son 0,02 moles de Aluminio iniciales, se tiene que: ∆Hrx =

4954,44 [J] J = 247722 [ ] 0,02 [mol] mol

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∆Hrx =

247722 [ g

J mol

27 [mol]

]

= 9174,88 [

J ] g(Al)

c) ¿Δ𝐻𝑟𝑥𝑛 es positivo o negativo? ¿Cuál es su evidencia experimental al afirmar esto? ∆HRx es negativo, la evidencia es el aumento de la temperatura lo que nos indica la presencia de una reacción exotérmica, es decir, la reacción libera energía siendo la entalpia de reacción menor a cero. d) Calcule la temperatura teórica (según literatura) que debiera alcanzar la solución. Considerando que la entalpia de formación del aluminio y del hidrogeno son muy pequeñas en comparación a las del resto serán despreciadas, luego: kJ kJ ] − 0,06[mol] ∗ −167 [ ]) mol mol = −10,58 [kJ]

ΔHrx = (0,02[mol] ∗ −1029,75 [ ΔHrx Como:

ΔHrx = (nAlCl3 CpAlCl3 + nH2 CpH2 − nHCl CpHCl + nH2 O CpH2 O ) ∗ ∆T J 10580 [J] = 93,48 [ ] ∗ (T𝑓 − 298) K Despejando la temperatura final se obtiene un valor de 400,68 [K], lo que es equivalente a 138 [°C]. e) Determine el porcentaje de Error con respecto a la literatura. Informe sobre las fuentes de este. %Error =

Tteórico − Texperimental 138 [°C] − 78 [K] ∗ 100 = ∗ 100 = 43% Tteórico 138 [°C]

El porcentaje de error se debe a que el reactor principalmente a las características del reactor, este no era adiabático, ya que, la pluvamit y el recipiente de vidrio no aislaban completamente la mezcla y además debido a la absorción energía por parte del agua.

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f) Si para un proceso posterior se necesita que la temperatura de la mezcla sea de 40°C, calcule el calor que debe ser retirado de la mezcla. Además indique de qué manera usted retiraría este calor en el laboratorio. J Q = (93,48 [ ]) ∗ (40 − 78) [K] = −3552,54 [J] K Para retirar el calor se podría hacer circular la mezcla resultante por un intercambiador de calor tubular similar a los vistos durante este curso. SEGUNDA PARTE: CALOR DE DILUCIÓN i.

Presente el balance de materia y energía, a modo general, para este sistema.

Balance de Materia: El balance de materia para cualquier sistema se expresa como: 𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝑚𝑠𝑎𝑙𝑒 + 𝑚𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎 = 𝑚_𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎

Para el sistema trabajado en laboratorio que consiste en 48[g] de H2O y 12[g] de NaOH , el cual se considera como solución sin pérdidas, se puede expresar el balance como : 𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝑚𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝑚𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 Donde 𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 representa la masa que ingresa al sistema, 𝑚𝑠𝑎𝑙𝑒 aquella que deja el sistema y 𝑚𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 la masa que se mantiene dentro del sistema. Balance de Energía: El balance de energía para cualquier sistema se puede expresar como sigue: 𝑄𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 = 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑒 ± 𝑄𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑒𝑎 /𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑒 ± 𝑄𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 Considerando el sistema trabajado en laboratorio, considerando el sistema estacionario y además adiabático, se tiene que: 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑒 ± 𝑄𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎

ii.

Calcule, responda y comente:

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Calor de dilusión Solución Inicial Agua Solución Final Unidades 60

20

80

[g]

20

0

15

[-]

Masa % p/p 54 25 48 Temperatura Tabla 3 Datos obtenidos en laboratorio para calor de dilución.

[°C]

a) Calcular absorbido por la mezcla [J] De acuerdo a los datos de Tabla 3 Datos obtenidos en laboratorio para calor de dilución., es posible realizar el balance de energía ya que se conoce la masa de agua y la masa de hidróxido de sodio, y las temperaturas del experimento inicial y final. Los calores específicos de obtienen de tablas. Siendo Cp solución NaOH 20% = 0,835 [𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔 ∗ °𝐶] =3,49 [𝐽/𝑘𝑔 ∗ °𝐶] (3) Cp solución NaOH 15% =0,8 [𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔 ∗ °𝐶] = 3,34 [𝐽/𝑘𝑔 ∗ °𝐶] (3) Se puede expresar el balance como sigue: 𝑚𝐻2 𝑂 ∗ 𝐶𝑝𝐻2 𝑂 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇 𝐻2 𝑂 ) + 𝑚𝑠𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 ∗ 𝐶𝑝𝑠𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇 𝑠𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 ) = 0 20[𝑔] ∗ 1[

𝑐𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙 ] ∗ (𝑇𝑓 − 25[°𝐶]) + 60[𝑔] ∗ 0,835[ ] ∗ (𝑇𝑓 − 54[°𝐶]) = 0 𝑔 ∗ °𝐶 𝑔 ∗ °𝐶

Despejando: 𝑇𝑓 =45,72

𝑇𝑓 Corresponde a la temperatura de equilibrio del sistema, con esto es posible determinar el calor absorbido por la mezcla. Considerando que al agregar 20[ ml], la solución cambia de 20 a 15 %p.p por lo que se utiliza el Cp de solución para 15% p.p encontrado en la literatura

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𝑐𝑎𝑙 ] ∗ (40,01[°𝐶] − 54[°𝐶]) 𝑔 ∗ °𝐶

𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 = −80[𝑔] ∗ 0,8[

𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 = 896[𝑐𝑎𝑙] = 3375,28[𝐽] Sin embargo, experimentalmente la temperatura final del sistema fue de 48°[C] lo que permite calcular el calor absorbido real como sigue 𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 = −80[𝑔] ∗ 0,8[

𝑐𝑎𝑙 ] ∗ (48[°𝐶] − 54[°𝐶]) 𝑔 ∗ °𝐶

𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑒𝑚𝑛𝑡𝑎𝑙 : 384 [𝑐𝑎𝑙 ] = 1605,12[𝐽]

b) ∆𝐻𝑑𝑖𝑙𝑢𝑠𝑖ó𝑛 experimental en [J/g] y [J/mol] en ácido o base utilizado a partir de los datos obtenidos en laboratorio. Se debe calcular los moles de NaOH presentes en el sistema, sabiendo que el peso molecular del NaOH es 40 [g/mol] 𝑛(𝑁𝑎𝑂𝐻) =

12[𝑔] 𝑔

40 [𝑚𝑜𝑙]

= 0,3 [𝑚𝑜𝑙]

Luego es posible calcular la variación de entalpía de dilución sabiendo que: ∆𝐻𝑑𝑖𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 = −𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜

∆𝐻𝑑𝑖𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 =

−1605,12[𝐽]) 𝐽 = −5350[ ] 0,3[𝑚𝑜𝑙] 𝑚𝑜𝑙

∆𝐻𝑑𝑖𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 = [

𝐽 1 𝐽 ]∗ = 133,75 [ ] 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 40 [ ] 𝑔 𝑔

c) ¿ ∆𝐻𝑑𝑖𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 es positivo o negativo? ¿Cuál es su evidencia experimental al afirmar esto? El valor numérico para la variación de entalpia es negativo, lo que implica que se trata de una reacción exotérmica. Esto se pudo verificar experimentalmente con la medición de temperatura ya que al añadir NaOH al sistema y agitar, éste alcanza una temperatura de [54°] (calor de reacción) y al añadir el agua restante, la temperatura disminuye ya aumenta

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la masa, además el agua añadida se encuentra a temperatura ambiente, pero inmediatamente comienza a subir la temperatura, estabilizándose en 48 [°C] d) El porcentaje de error con respecto a la literatura. Informe sobre fuentes de error de éste. Para realizar el cálculo de la entalpía de dilución teórica es necesario utilizar un gráfico de Entalpía v/s Concentración en %p.p. Se conoce la temperatura final del experimento y la fracción en peso del NaOH al final por lo que se puede obtener el valor teórico de entalpía de dilución:

Gráfico 1 Diagrama Entalpía – composición para el sistema NaOH – H2O. (4) 𝐽

El valor teórico de entalpia corresponde a 232, ,6 [ ]. 𝑔

Calculando el porcentaje de error : %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 42,51

232.6 − 133,75 ∗ 100 232,6

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El error es de % 42,51 , lo cual se debe principalmente a las condiciones de trabajo, ya que no era posible agitar bien la solución y lograr la dilución completa del NaOH. Se pudo apreciar cómo se acumuló masa en el fondo del recipiente. e) Indique la cantidad de agua necesaria para diluir la solución inicial, de tal manera que la temperatura alcanzada por la solución final sea de 40°[C] Utilizando las ecuaciones de la pregunta a) se tiene que 𝑚𝐻2 𝑂 ∗ 𝐶𝑝𝐻2 𝑂 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇 𝐻2 𝑂 ) + 𝑚𝑠𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 ∗ 𝐶𝑝𝑠𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇 𝑠𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 ) = 0 𝑚[𝑔] ∗ 1[

𝑐𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙 ] ∗ (40 − 25[°𝐶]) + 60[𝑔] ∗ 0,835[ ] ∗ (40 − 54[°𝐶]) = 0 𝑔 ∗ °𝐶 𝑔 ∗ °𝐶

Despejando: 𝑚𝐻2 𝑂 = 46,76 [𝑔]

TERCERA PARTE: BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA PARA UN SISTEMA CONTINUO i.

Realice un diagrama (PFD) de la configuración de los equipos (Utilizar Microsoft visio).

Figura 1: PDF de los equipos de la experiencia Donde:    

V-101: válvula de la matriz de agua presente en el laboratorio F-101: alimentación fresca desde la misma matriz HT-33: intercambiador de calor F-102: flujo para precalentar en intercambiador

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  ii.

HT-34: estanque-mezclador VDF-101: Bomba Presente el balance de materia y energía, a modo general, para los dos equipos de este sistema.

Suponiendo un estado estacionario sin acumulación de materia, ni generación ni transmisión, el balance queda expresado por los flujos entrantes y de salida. Entra = Sale Fservicio entrada + FAgua entrada = Fservicio salida + FAgua salida

Existiendo transferencia de energía, suponiendo que no existen pérdidas, , el balance de energía quedaría: Intercambiador: Considerando estado estacionario la acumulación es igual a cero, al no haber reacción química el calor generado también es cero, por ende: Entra = Sale + Transferido Suponiendo que la temperatura de llegada del agua al intercambiador de calor es exactamente la misma con que abandonó el agitador: 𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑚 ∗ 𝑐𝑝 ∗ (𝑇𝑑𝑒𝑠𝑎𝑔ü𝑒 − 𝑇1 ) 𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 = 𝑚 ∗ 𝑐𝑝 ∗ (𝑇4 − 𝑇𝑚𝑎𝑡𝑟𝑖𝑧 )

Reactor enchaquetado: Hay un calor cedido por la chaqueta al fluido, enfriándose entonces el agua de calefacción y aumentando la temperatura del producto.

𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑚 ∗ 𝑐𝑝 ∗ (𝑇3 − 𝑇2 )

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𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 = 𝑚 ∗ 𝑐𝑝 ∗ (𝑇1 − 𝑇4 )

iii.

Calcule el Calor Cedido por la corriente caliente y el Calor Recibido por la corriente fría en ambos intercambiadores de calor ¿Son sus resultados consistentes?

A partir de promedios de los datos entregados por el programa Armfield HT34 Jacketed Veesel Heat Exchanger:           

Flujo de agua caliente (Fc): 2,81 [l/min] Flujo de agua fría (Ff): 0,67 [l/min] T0: 13,4[°C] T1 salida del reactor: 35.5[°C] T2 entrada de chaqueta: 50[°C] T3 salida de chaqueta: 46,6[°C] T4 entrada del reactor: A resolver Cp agua caliente: 4,180 [kJ/kg/K] Cp agua fría: 4,178 [kJ/kg/K] Densidad fluido caliente: 988,8 [kg/m3] Densidad fluido frío: 993,8 [kg/m3]

Reactor HT-34 El calor cedido esta expresado por la siguiente ecuación: Qcedido = Fagua caliente ∗ Cpagua caliente ∗ ∆T Qcedido = Fac ∗ Cpc ∗ (T3 − T2 ) m3 kg kJ Qcedido = 4,68 ∗ 10−5 [ ] ∗ 988,8 [ 3 ] ∗ 4,180 [ ] ∗ (46,6 − 50) [K] s m kg K J = −657,67 [ ] s Luego como el agua fría es quien recibe el calor, y suponiendo un sistema adiabático, es posible encontrar la T4: Qrecibido = Fagua fría ∗ Cpagua fría ∗ ∆T Qrecibido = Faf ∗ Cpaf ∗ (T1 − T4 )

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J m3 kg kJ 657,67 [ ] = 1,11 ∗ 10−5 [ ] ∗ 993,8 [ 3 ] ∗ 4,178 [ ] ∗ (35,5 − T4 )[K] s s m kg K Despejando T4 se tiene que: T4 = 21,23 [°C]

Intercambiador de Calor HT-33 Para el calor recibido se tiene:

Qrecibido = Fagua fría ∗ Cpagua fría ∗ ∆T Qrecibido = Faf ∗ Cpaf ∗ (T4 − T0 ) Qrecibido = 1,11 ∗ 10

−5

m3 kg kJ J [ ] ∗ 993,8 [ 3 ] ∗ 4,178 [ ] ∗ (21,23 − 13,4) K = 357,6 [ ] s m kg K s

Luego, considerando un sistema adiabático: Qcedido = Fagua fria ∗ Cpagua fria ∗ ∆T Qcedido = Faf ∗ Cpaf ∗ (Tdesagüe − T1 ) −357,6 = 1,11 ∗ 10−5 [

m3 s

kg

kJ

] ∗ 993,8 [m3 ] ∗ 4,178 [kg K] ∗ (Tdesagüe − 35,5)

Tdesagüe = 43,25 [°C] Los datos parecieran ser consistentes, interpretando las variaciones mínimas del reactor y del intercambiador de calor como pérdidas del sistema, además los signos indican la dirección del fenómeno y los resultados concuerdan con la teoría. iv.

Determine el valor del Coeficiente Global de Transferencia de Calor (U) para cada uno de los equipos.

Sabemos que: Q = U ∗ A ∗ ∆T Donde U es el coeficiente global de transferencia de calor, A el área en que ocurre la transferencia energética y ∆T el cambio de temperatura asociado al fenómeno.

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Intercambiador y Coraza HT-33 Datos:    

7 tubos Diámetro exterior de 6,35 [mm] Espesor 0,6 [mm] Largo de tubo 166 [mm] AIntercambiador = π ∗ D ∗ n ∗ L = π ∗ 6,35[mm] ∗ 166[mm] ∗ 7 = 23169 [mm2 ] AIntercambiador = 0,023 [m2 ]

Luego U queda expresada por: J

357,6 [s] Q J U= = = 1985,7 [ ] A ∗ (T4 − T0 ) 0,023 [m2 ] ∗ 7,83 [K] s m² K

Chaqueta del estanque agitado Datos:  Diámetro chaqueta 15 [cm]  Altura chaqueta 10,5 [cm] Achaqueta = π ∗ D ∗ h = π ∗ 0,150 [m] ∗ 0,105[m] = 0,05 [m2 ] Luego U queda expresada por: J

657,67 [s] Q J U= = = 1679,9 [ ] A ∗ (T4 − T0 ) 0,05[m2 ] ∗ 7,83 [K] s m² K v.

Determine la temperatura que alcanzaría el producto si no existiera el intercambiador de precalentamiento.

Datos: T3: incógnita T1: incógnita T2: 50[°C] correspondería al flujo de salida del calefactor T4:T0: 13,4[°C]

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Asumiendo que se entrega la misma cantidad de calor al fluido: Q𝐷 = U ∗ A ∗ ∆T𝑐 J J 657,67 [ ] = 1679,9 [ ] ∗ 0,05[m2 ] ∗ (50 − T3) [K] s s m² K T3 = 42,2 [°C] Además: Fac ∗ Cpac ∗ ∆T𝑐 = Faf ∗ Cpaf ∗ ∆Tf 4,68 ∗ 10

−5

m3 kg kJ [ ] ∗ 988,8 [ 3 ] ∗ 4,180 [ ] ∗ (𝟓𝟎 − 42,2) [𝐊] s m kg K m3 kg kJ = 1,11 ∗ 10−5 [ ] ∗ 993,8 [ 3 ] ∗ 4,178 [ ] ∗ (𝐓𝟏 − 𝟏𝟑, 𝟒) [𝐊] s m kg K T1 = 46,13 [°C]

vi.

Calcule las pérdidas de energía asociadas a los equipos. ¿Qué modificación realizaría en el equipo y/o condiciones de operación para minimizarlas?

Las pérdidas de energía asociadas a los equipos están determinadas por la diferencia entre el calor cedido y/o el calor absorbido de cada equipo: J J J Qpérdidas = Qequipo a − Qequipo b = 657,67 [ ] − 357,6 [ ] = 300 [ ] s s s Probablemente parte de las pérdidas generadas se puede explicar por problemas de calibración en los equipos y asegurar esta podría significar una disminución en las pérdidas. Otra opción pero de mayor costo sería cambiar el tipo de material de la chaqueta, modificando el U o la utilización de mangueras con mayor aislación.

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6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En la presente experiencia fue posible la realización de experimentos que permitieron determinar de forma experimental calor de reacción, calor de dilución y balance de masa y energía para un sistema continuo. En la primera parte de la experiencia, se determinó calor de reacción donde el sistema alcanzó una temperatura final de 78[°C], y se calculó que el calor/energía transferida a la mezcla para poder llevar a cabo la reacción fue de −4954,44 [J]. Además se comparó la temperatura final obtenida con la temperatura teórica que se esperaba alcanzar arrojando un error de 43%. Los valores obtenidos, permiten concluir que se trata de una reacción exotérmica, lo cual se ve reflejado en el aumento de temperatura y en el valor de la entalpía, el cual es negativo. Con respecto al porcentaje de error se puede decir que debe a que las condiciones de trabajo en laboratorio no fueron las óptimas, ya que el reactor no era adiabático, lo que implica que existió intercambio de energía con el ambiente. En la segunda parte del laboratorio se preparó una solución al 20% en peso de NaOH con agua, el cual alcanzó una temperatura máxima inicial de 54 [°C] por el fenómeno de disolución y luego se a diluyo la mezcla agregando 20 [ml] de agua alcanzado una temperatura de 48 [°C] el resultado experimental para entalpía de dilución es -133,75[J/g] , con un error de 42%. LA reacción es una reacción exotérmica la entalpía es negativa. Las principales fuentes de error se deben al poca dilución del NaOH y la precariedad del montaje del experimento. Por último en la tercera parte que consta de la realización del balance másico y energético para un sistema de agua con un reactor agitado, un intercambiador de calor y un calefactor, J se obtuvo una diferencia energética de 300 [s] entre el intercambiador de calor y el estanque enchaquetado y la temperatura de salida del agua fue de 21,23 [°C]. Estos valores son consistentes, interpretando las variaciones mínimas del reactor y del intercambiador de calor como pérdidas del sistema, además los signos indican la dirección del fenómeno y los resultados son coherentes en relación a la teoría. Las pérdidas se pueden explicar por problemas de calibración en los equipos. Como recomendaciones generales, se sugiere que mejorar el sistema de aislación tanto para el experimento 1 y 2 para así mejorar los resultados de éstas. Asegurar que los equipos se encuentran bien calibrados, implementar una campana de extracción de gases, ya que se trabaja con elementos volátiles y es perjudicial para la salud tanto de quienes realizan la experiencia como de los ayudantes. Por otra parte, es necesario contar con mayor cantidad de implementos para poder llevar acabo la experiencia de la mejor manera posible. En el caso particular de esta experiencia fue necesaria una pipeta, propipeta y cucharas para la manipulación del NAOH.

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7. BIBLIOGRAFÍA

1. Kern. Procesos de transferencia de calor. 2. Maloney, J. O. Perry. Manual del Ingeniero Químico. 3. Perry, Robert H. Manual del Ingeniero Químico 3° Edición. s.l. : Mc Graw Hill. 4. Geoplis, Christie John. Proceso de transporte y principios de proceso de separación. . s.l. : CECSA, 1998.

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8. ANEXOS

Tabla 4: Datos obtenidos en primera parte Primera parte: Calor de reacción Aluminio Ac. Solución Clorhídrico Final 0.5 5.47 5.97 Masa 25 25 78 Temperatura

Unidades [g] [°C]