Lab Nº1 Diseño de Tanque Con Agitacion Continua (Autoguardado)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORA

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO DE FENÓMENOS DE TRANSPORTE

BALANCE MACROSCÓPICO DE MATERIA EN LA SOLUCIÓN CONCENTRADA DE CLORURO DE SODIO (NaCl)

HORARIO: JUEVES 13:00-15:00 PRESENTADO POR: CHÁVEZ CHOQUEHUANCA, DALILA

20133219

CONDORI HUAMÁN, ROXANA

20130742

CHAVEZ QUISPE, JORGE

20130678

SUAÑA YANA, JOHN WILSON

20130706

LARICO CHATA, NILZA ANGELICA

20130681

ENRIQUEZ QUISPE, FLOR FABIOLA

20133211

RAMOS MENENDEZ, JOSUE

20123655

MARISELA HUANCA CCAMERCCOA

20120722

CAPIRA VALLEJOS, YNDIRA CECILIA

20133198

HUAMANI ZEGARRA, EVELYN MIRIAM

20130753

CASTILLO SANJINEZ MARYORY

20133182

TITO ANDRADE, KATIUSKA

20133207

AREQUIPA-PERÚ 2015

BALANCE MACROSCÓPICO DE MATERIA EN LA SOLUCIÓN CONCENTRADA DE CLORURO DE SODIO (NaCl) 1. OBJETIVO: Realizar el balance de materia en un reactor de tipo tanque agitado. El balance se hará determinando la variación de la concentración de la solución concentrada de NaCl con el tiempo al adicionar una corriente de agua. Comprobar con los datos experimentales si se cumple con la ecuación exponencial resultante del tratamiento teórico del problema ¿?? Teoría expresión general para el balance macroscópico de materia se tiene: Q1

Q2

C1

C2

2. MARCO TEÓRICO 2.1 REACTORES DE DILUCION Generalmente el equipo consiste en un recipiente cilíndrico (cerrado o abierto), y un agitador mecánico, montado en un eje y accionado por un motor eléctrico. Las proporciones del tanque varían ampliamente, dependiendo de la naturaleza del problema de agitación. El fondo del tanque debe ser redondeado, con el fin de eliminar los bordes rectos o regiones en las cuales no penetrarían las corrientes del fluido. La altura del líquido, es aproximadamente igual al diámetro del tanque. Sobre un eje suspendido desde la parte superior, va montado un agitador. El agitador crea un cierto tipo de flujo dentro del sistema, dando lugar a que el líquido circule por todo el recipiente y vuelva de vez en cuando al agitador. 2.2 LA AGITACIÓN Se refiere a forzar un fluido por medios mecánicos para que adquiera un movimiento circulatorio en el interior de un recipiente. Los objetivos de la agitación pueden ser:      

Mezcla de dos líquidos miscibles (ej: alcohol y agua) Disolución de sólidos en líquido (ej.: azúcar y agua) Mejorar la transferencia de calor (en calentamiento o enfriamiento) Dispersión de un gas en un líquido (oxígeno en caldo de fermentación) Dispersión de partículas finas en un líquido Dispersión de dos fases no miscibles (grasa en la leche)

Supóngase que la solución que se inyecta al tanque OBSERVACIÓN: Es importante que quede claro que la cantidad de soluto en el tanque, una vez iniciado el proceso, va a variar en la medida en que transcurre el tiempo; es decir, la concentración de sal en el tanque es una función del tiempo.

2.3 REACTOR CONTINÚO DE TANQUE AGITADO OPERANDO IDEALMENTE Un reactor continuo de tanque agitado es, básicamente, un recipiente por el cual que circula un caudal de fluido m, y en cuyo seno el fluido se encuentra perfectamente agitado de manera que, en un momento dado, todos los puntos del mismo poseen idénticas propiedades, variando estas con el tiempo Si se aplica el balance macroscópico de materia al tanque agitado de volumen constante (caudal volumétrico de entrada=caudal volumétrico de salida) donde no ocurre reacción química, el balance se puede expresar como 𝑑𝑀𝑖 − (𝑚1𝑖 − 𝑚2𝑖 ) = 0 𝑑𝑡 Donde (𝑚1𝑖 − 𝑚2𝑖 ) es la diferencia entre los caudales másicos de entrada y salida del componente i y Mi, la masa del componente i dentro del tanque de volumen V en un momento dado. Si se tiene en cuenta: (1) Que la diferencia entre los caudales de entrada y salida puede expresarse como: 𝑚1𝑖 − 𝑚2𝑖 = 𝑄(𝐶1𝑖 − 𝐶2𝑗 ) Donde Q es el caudal volumétrico que luye a través del sistema ( y que se supone constante) y C1 y C2 son respectivamente, las concentraciones de componente i a la entrada y salida del mismo Que la masa de componente i dentro del volumen V es:

𝑀𝑖 = ∫ 𝐶𝑖 𝑑𝑉 𝑉

𝑑𝑀𝑖 𝑑𝑉 𝑑𝐶𝑖 = 𝐶𝑖 + 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑𝑡

Donde Ci es la concentración de componente i en el tanque. El balance quedara del siguiente forma: 𝑄(𝐶2𝑖 − 𝐶1𝑖 ) + 𝑉

𝑑𝐶𝑖 =0 𝑑𝑡

Ecuación que, una vez integrada, permite obtener la función 𝐶𝑖 = 𝐶𝑖 (𝑡) que expresa la variación de la concentración del componente i en el tanque con el tiempo, debe tenerse en cuenta: (a) que la concentración del componente i a la salida es la misma que la concentración del componente i dentro del tanque, es decir, 𝐶2𝑖 = 𝐶1𝑖 (b) que la concentración del componente i en el caudal de entrada es cero, por tanto podrá escribirse: 𝑄𝐶𝑖 + 𝑉

𝑑𝐶𝑖 =0 𝑑𝑡

𝑑𝐶𝑖 𝑄 = − 𝑑𝑡 𝐶𝑖 𝑉 𝐶𝑖

𝑑𝐶𝑖 𝑄 𝑡 = ∫ 𝑑𝑡 𝑉 0 𝐶𝑖0 𝐶𝑖



𝑙𝑛 (

𝐶𝑖 𝑄 )= 𝑡 𝐶𝑖𝑜 𝑉 𝑄

𝐶𝑖 = 𝐶0 𝑒 (𝑉 𝑡) 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 3.1 EQUIPOS:    

Refractómetro Motor para agitación Cronometro Reactor

3.2 MATERIALES:       

Solución concentrada Depósito o tanque Tanque agitado/tanque de agua Probeta graduada Vaso de pp Matraces de vidrio, embudo, gradilla, tubos de ensayo Material de limpieza (antes y después de la practica.

3.3 MÉTODO DESARROLLO DEL METODO EXPERIMETAL

Se prepara la solucion al 20% de salmuera en el reactor Se retiene el flujo de teniendo en cuenta el volumen que debe tener este alimentación antes de iniciar la disolución

Se empieza a controlar el tiempo teniendo en cuenta que inicialmente se tomara una muestra al cabode 5 min

La descarga será recepcionada y será eliminada, luego las muestras a analizar serán recepcionadas , según el instante indicado, en envases donde se analizara la concentración.

Las muestras seran ordenadas según el instante en el que se han obtenido para luego medir su concentracion con el refractometro serr comparadas con las teoricas.

Antes es necesario conocer los volúmenes del tanque agitado, el caudal del ingreso de agua. Tenga en cuenta que: A partir de la solución concentrada del 40%, prepara la solución de 20% Antes es necesario conocer los volúmenes del tanque agitado, el caudal del ingreso de Se determinara la concentración mediante el refractómetro agua. Comprobar que el tanque superior está lleno de agua A partir de la solución concentrada del 40%, prepara la solución de 20% Llenar el tanque con solución concentrada del 20% Se determinara la concentración mediante el refractómetro Establecer el caudal de ingreso del agua Comprobar que el tanque superior está lleno de agua A fin de evaluar la evolución de toma muestras en tubos de ensayo del tanque agitado (del Llenar el tanque con solución concentrada del 20% tanque de salida) toar muestras de 6 a 8 (c/d 6 a 8) Establecer el caudal de ingreso del agua A fin de evaluar la evolución de toma muestras en tubos de ensayo del tanque agitado (del tanque de salida) toar muestras de 6 a 8 (c/d 6 a 8)

4. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS: 4.1 APLICACIÓN DE PRINCIPIOS FUNDAMENTALES Y CÁLCULOS: Principios aplicados:  

Principio de Arquímedes; todo cuerpo sumergido en un líquido recibe un empuje, de abajo hacia arriba, igual al peso del líquido desalojado. Ecuación general de balance macroscópico:

(Velocidad de acumulación de materia)= (Caudal de ingreso de materia)-(Caudal de salida de materia)+(Velocidad de la generación de materia

APLICACIÓN DE PRINCIPIOS FUNDAMENTALES 𝑗=𝑛

𝑑𝑚 = ∑ 𝑊𝑗𝑖 𝑖 + 𝑅𝑖 𝑑𝑡 𝑗=1

𝑅𝑖 : 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑖 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑊𝑗𝑖 : 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑖 𝑞𝑢𝑒 𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑗 𝑛: 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑚 = 𝑚1̇ − 𝑚̇ 2 𝑑𝑡 𝑚 =̇ 𝑞𝑐 𝑅𝑒𝑒𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑛𝑑𝑜 (4)𝑒𝑛 (3): 𝑑𝑚𝑖 = |𝑞1 𝑐1 − 𝑞2 𝑐2 | 𝑑𝑡 𝑑𝑚 −𝑞𝑐 = 𝑑𝑡 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑔𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 = 0 → 𝑐 = 𝑐0 𝑡 = 𝑡 → 𝑐 = 𝑐𝑡 𝑅𝑒𝑒𝑚𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑛𝑑𝑜: 𝑑𝑐 −𝑞𝑐 = 𝑉 𝑑𝑡 −𝑞 𝑐𝑡 𝑡 = ln ( ) 𝑉 𝑐0

𝑞

𝐶𝑡 = 𝑒 −𝑉𝑡 . 𝐶0

19,1𝑔 𝑚𝑙 𝐶0 : 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 3,08𝑚𝑙 𝑞= 𝑠 𝑞: 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜 𝑉 = 2225𝑚𝑙 𝑉: 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑡: 26𝑚𝑖𝑛 𝑡: 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑐0 =

𝑞

𝐶𝑡 = 𝑒 −𝑉𝑡 . 𝐶0

𝑞 : 𝑛𝑜𝑠 𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑉

4.2 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS: TIEMPO / min C. TEORICA g/ml C. EXPERIMENTAL g/ml 0 19.1 19.1 5 13.90 13.38 8 11.40 10.50 11 9.40 8.26 14 7.70 6.49 17 6.20 5.10 20 5.10 4.01 23 4.10 3.51 26 3.20 2.48

ln (C. Teorica) 2.950 2.632 2.434 2.241 2.041 1.825 1.629 1.411 1.163

ln(C. Experimental) 2.950 2.594 2.351 2.112 1.870 1.630 1.389 1.256 0.907

GRAFICA Nº1:

GRAFICA Nº2

4.3 Discusión y análisis de resultados

TIEMPO /s 0 5 8 11 14 17 20 23 26

C. TEORICA C. EXPERIMENTAL g/ml g/ml 19,1 13,90 11,40 9,40 7,70 6,20 5,10 4,10 3,20

19,1 13,38 10,50 8,26 6,49 5,10 4,01 3,51 2,48

ERROR EXPERIMENTAL

0,000 3,741 7,895 12,085 15,714 17,694 21,373 14,390 22,625

LECTURAS DE CONCETRACION OBTENIDAS POR EL REFRACTOMETRO

5. OBSERVACIONES:  El uso de un motor de potencia pequeña, hizo disminuir la agitación que presentaba nuestro tanque; y como consecuencia no hubo una mezcla homogénea en la solución de salmuera  Al aplicar el principio de Arquímedes, el flujo de solución de salida fue mínimamente diferente respecto al de entrada.  El flujo de alimentación de agua pura se mantendrá constante con un valor de 3.08ml/s si también se mantiene un volumen de 3 litros en el tanque de alimentación.  En las pruebas realizadas se observó que la altura del vórtice generado con referencia a la base del tanque vario para soluciones diferentes.  La toma de muestras a la salida del tanque se debe de realizar en el instante prefijado procurando tener el mismo volumen en todas las muestras

6. CONCLUSIONES:  Según la gráfica obtenida comprobamos el comportamiento exponencial que tiene el conjunto de datos establecidos; se linealizo la curva. Y para ambos casos comparamos los valores teóricos y experimentales siendo estos muy cercanos.  Se comprobó la disminución de la concentración inicial de salmuera al añadir un flujo de agua pura; estos valores se determinaron haciendo uso de un refractómetro respectivamente.

7. BIBLIOGRAFÍA 

Fenomenos de Transporte - Bird, Stewart & Light foot 2 edicion



Fenomenos de Transporte I-II - Ing. ManuelAcosta Calderon



Transferencia de Calor Masa y Momentum - Claudio Gelmi



Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias



Matematica Aplicada a la Ing. Quimica – Juan de Burgos Roman



Elemento de Ingenier de las Reacciones Quimicas – H. Scott Fogler