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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN CAMPO 1 L E M III

INFORME EXPERIMENTAL “TRANSFERENCIA DE CALOR EN RECIPIENTES ENCHAQUETADOS ”

INTEGRANTES : CABAÑAS ISLAS JUAN MANUEL MANJARREZ V ALTIERRA BELEN CECILIA ARELLANO RAMÍREZ E STEFANÍA SÁNCHEZ ROSARIO HUMBERTO

PROF. MARÍA E LENA QUIROZ MACÍAS Y ANA MARÍA SIXTO BERROCAL

INGENIERÍA QUÍMICA GRUPO: 1501 SEMESTRE 2020-1

FECHA DE ENTREGA: 15/10/2019

INTRODUCCION Los reactores utilizan camisas de calentamiento y enfriamiento para extraer el calor producido por una reacción exotérmica o para proveer el calor necesario para que se lleve a cabo una reacción endotérmica. Las camisas de vapor que operan a altas presiones implican mayores riesgos en materia de seguridad, especialmente cuando el reactor contiene químicos contaminantes o tóxicos. Por el contrario, los sistemas de fluido térmico pueden asegurar una temperatura de operación constante hasta temperaturas de 800°F/425°C operando a bajas presiones Generalmente, dependiendo de la temperatura operativa, se utiliza algún aceite térmico o una mezcla agua/glicol para el calentamiento y enfriamiento de reactores encamisados. Entre las aplicaciones habituales de procesos químicos y biológicos, se requiere el uso de recipientes agitados en operaciones discontinuas en las cuales se presenta un calentamiento o enfriamiento del reactor agitado, manteniendo una temperatura constante durante el periodo de reacción, por lo que en la actualidad se utilizan dos tipos de sistemas de intercambio de calor, siendo estos: a) Chaquetas de enfriamiento o calentamiento. b) Serpentines de tubería. En un tanque agitado se pueden realizar las siguientes operaciones unitarias:       

Mezcla de líquidos miscibles Dispersión de un gas en un líquido Mezcla o dispersión de líquidos no miscibles Dispersión y emulsificación de líquidos no miscibles Apoyo para la transferencia de calor entre un líquido y una superficie intercambiadora de calor Suspensión, reducción de tamaño y dispersión de partículas sólidas en un líquido. Dilución de un sólido en un líquido Reducir el tamaño de partículas aglomeradas. Disminuir el tamaño de gota de líquidos coalescentes

GENERALIDADES Recipientes enchaquetados con agitación mecánica Se utilizan cuando se precisa de una limpieza frecuente del tanque en cuestión, así como recipientes en los cuales sea difícil colocar serpentines internos. Este proporciona un mejor coeficiente global de transmisión de calor que los serpentines externos. Contrariamente se dispone de área limitada para llevar a cabo la transmisión de calor, así como el fluido líquido no mantiene uniformes sus características en el interior de la camisa. Consiste de un recipiente y su chaqueta y los medios apropiados para circular el líquido dentro de la misma y un agitador de aspas planas. Las dimensiones básicas para el

cálculo de chaquetas son: altura de la porción húmeda del recipiente Z, diámetro del recipiente D, longitud de la paleta del agitador L y la altura desde el fondo de la paleta hasta el fondo del recipiente B. Serpentines de tubos El serpentín de tubos proporciona uno de los medios más baratos de obtener superficie para transferencia de calor. Para el diseño de serpentines para transferencia de calor se debe determinar el área de transmisión de calor necesaria para mantener el líquido contenido dentro del tanque a una temperatura constante o para aumentarla o disminuirla, en un tiempo determinado. Los serpentines de calentamiento se colocan en la zona baja del tanque, mientras que los de enfriamiento se sitúan en la parte alta del tanque. Pueden también estar colocados en pendiente para facilitar su drenaje. Generalmente, los serpentines se fabrican en gran variedad de configuraciones y materiales partiendo de las aplicaciones y geometría del recipiente. Se construyen doblando longitudes variables de tubería de cobre, acero o aleaciones, para darle forma de hélices, o serpentines helicoidales dobles en los que la entrada y salida están convenientemente localizadas lado a lado. El espesor de pared a seleccionar varía con el tipo de servicio y el material. En el caso de serpentines de acero al carbón se fabrican con tubería catalogo 80 o superior para que pueda resistir cierto grado de corrosión. Los de acero inoxidable u otras aleaciones resistentes a la corrosión, pueden utilizarse tubería catalogo 5 o 10 para obtener costos mínimos, aunque se requieren soldaduras de alta calidad para este tipo de paredes delgadas, a fin de asegurar un servicio sin problemas. Para los procesos de transferencia de calor por lote o discontinuos, se consideran las siguientes suposiciones: a) U es constante en toda la superficie y para el proceso completo. b) El flujo de líquido de enfriamiento es constante. c) Los calores específicos son constantes. d) La temperatura de entrada constante del medio calefactor o enfriador. e) La temperatura es homogénea en el fluido agitado (mezcla perfecta). f) No se tienen cambios parciales de fase. g) Las pérdidas de calor son despreciables. Para un serpentín en tanque o recipiente enchaquetado, con un medio refrigerante no isotérmico se tiene una razón de flujo constante y una temperatura de entrada T1 pero una temperatura de salida variable. Aparte de lo anterior, cabe aclarar que la agitación aumenta los coeficientes de película y por ende disminuye el tiempo requerido cuando se calienta o enfrían líquidos a partir de serpentines en un tanque.

OBJETIVO 

Aplicar los conceptos de transferencia de calor en recipientes enchaquetados. Adquirir una mayor comprensión de las variables de operación y diseño que afecta la velocidad de transferencia de calor.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL  

   



Verificar que el nivel de lubricante sea correcto ya que con este trabaja correctamente el equipo. Si se tiene que alimentar vapor a la chaqueta, purgue la línea de condensado y alimente lentamente el vapor. (Se recomienda no encender el motor del agitador durante la purga ni durante el periodo de aumento de presión del vapor) Una vez alcanzada la presión del vapor deseada, encender el agitador y comenzar a tomar las lecturas de tiempo y temperatura. Las lecturas de calentamiento se tomaran cada 30 segundos hasta alcanzar los 82-84°C Las lecturas de enfriamiento se tomaran cada 5 minutos hasta alcanzar los 3035°C. Si se requiere cambiar de calentamiento con vapor a enfriamiento con agua, se tiene que eliminar el vapor de la chaqueta y alimentar el agua muy lentamente para evitar el choque térmico. Durante el periodo de cambio del fluido de la chaqueta y hasta que se alcance el flujo de agua deseado se debe mantener apagado el agitador.

RESULTADOS  Tablas de registro de datos durante la experimentación. Se trabajó con 15L de agua. Presión de trabajo= 9psi CALENTAMIENTO Temperatura de entrada: 27°C Tiempo (Segundos) 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

Temperatura de salida (°C) 49 52 54 56 59 61 63 64 66 68 69

360 390 420 450 480 510 540

71 72 74 75 77 78 80

ENFRIAMIENTO Tiempo (Minutos) 5 10 15 20 25 30

Tiempo (Segundos) 300 600 900 1200 1500 1800

Temperatura de salida (°C) 67 54 45 39 35 32

 Graficas de temperatura interna (experimental y calculada con la ecuación del punto 4 de la sección de conocimientos y actividades previas) contra tiempo.

T2 °F 273.37 271.96 267.06 261.79 258.22 252.89 248.85 243.63 240.61 238.43 238.43 233.73 232.54 228.04 225.67 225.29 223.18

TIEMPO(min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

400

150

0 -100

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

 Graficas de temperatura de salida de agua de enfriamiento contra tiempo.

80

Temperatura (°C)

70 60 50 40 Enfriamiento

30 20 10 0 0

500

1000

1500

2000

Tiempo (s)

 Coeficientes experimentales de transferencia de calor.

CALENTAMIENTO Tsalida °F

tiempo (s)

tiempo (h)

Uexp 𝐵𝑇𝑈 𝑓𝑡2 ℎ °𝐹

120.2

30

8.3x10-3

30.35

125.6

60

0.016

18.20

129.2

90

0.025

12.73

132.8

120

0.033

10.48

138.2

150

0.041

9.48

141.8

180

0.05

8.36

145.4

210

0.0583

7.69

147.2

240

0.0666

6.97

150.8

270

0.075

6.61

154.4

300

0.083

6.37

156.2

330

0.091

5.99

159.8

360

0.1

5.79

161.6

390

0.108

5.52

165.2

420

0.116

5.45

167

450

0.125

5.21

170.6

480

0.133

5.18

172.4

510

0.141

5.02

176

540

0.15

4.98

ENFRIAMIENTO T salida °F

152.6 129.2 113 102.2 95 89.6

tiempo (s)

tiempo (h)

Uexp 𝑩𝑻𝑼

300 600 900 1200 1500 1800

0.083 0.166 0.25 0.333 0.416 0.5

𝒇𝒕𝟐 𝒉 °𝑭 1.09 1.623 2.43 3.65 5.48 8.76

 Comparación de los coeficientes del punto anterior y los coeficientes calculados a partir de las correlaciones del punto 5 y 6 de la sección de conocimientos y actividades previas. Calentamiento.

Uexp 𝐵𝑇𝑈 𝑓𝑡2 ℎ °𝐹

Uteor 𝐵𝑇𝑈 𝑓𝑡2 ℎ °𝐹

30.35

34.9772118

18.20

35.3192215

12.73

35.552333

10.48

35.7897013

9.48

36.4027963

8.36

36.6563562

7.69

36.7850115

6.97

37.0461963

6.61

37.3127192

6.37 5.99 5.79 5.52 5.45 5.21 5.18

37.44805 37.7229928 37.8626642 38.1465623 38.2908542 38.5842935

5.02

38.7335124

4.98

39.0371355

Enfriamiento Ute Uteor 𝐵𝑇𝑈 orico 𝑓𝑡2 ℎ °𝐹

Uex

Uexp 𝐵𝑇𝑈 𝑓𝑡2 ℎ °𝐹

p

172.766316

1.09

174.543334

1.623

175.614122

2.43

176.265876

3.65

176.67534

5.48

176.970102

8.76

MEMORIA DE CÁLCULO  Para U exp:

Perfil de temperaturas 𝐼𝑛

𝑇1 − 𝑡1 𝑈𝑒𝑥𝑝 𝐴𝜃 = 𝑇2 − 𝑡0 𝑀 𝑐𝑝

Donde T1: Tent del fluido caliente t 1: t ent de fluido frio T2: Tsal de fluido caliente t 0: temperatura que depende del tiempo (variable) A: área 𝜽: tiempo M: lote

Despejando Uexp

Temperatura de entrada del vapor T1 = temperatura de salida del vapor  Temperatura de vapor a la presión de trabajo + presión atm = 9 psi +14.895 psi =23.895psi =273.436 °F consultando tablas de vapor

Temperatura de entrada del agua t1=27°C=80.6°F A: área de transferencia M: lote =3.733lb Tiempo: CP= 1BTU/LbF Área A´: área del cilindro d: diámetro del cilindro= 305mm =1.0006ft L:longitud = 254 mm =0.833ft A´´: area de la tapa

Entonces:

273.436−80.6

𝐵𝑇𝑈

ln(273.436−120.2)(3.733𝑙𝑏) ∗ 1 𝑙𝑏 °𝐹 3.4058𝑓𝑡2(8.3𝑥10−3ℎ)

= 30.35

𝐵𝑇𝑈 𝑓𝑡2 ℎ °𝐹

Para el enfriamiento:  La temperatura de entrada del agua =27°C =80.6 °F y T2 es la temperatura que varía con el tiempo.



 Para temperatura interna

Para Uteo

𝑈𝑡𝑒𝑜

𝑐𝑝 ℎ𝐷𝑖 𝐿2 𝑁𝜌 2 𝑘 1 𝜇 0.4 = = 0.36( )3 ( )3 ( ) 𝑘 𝜇 𝑃𝑟 𝑢𝑚

Donde hi: olla ho: enchaquetado L: longitud de la paleta N: rph= 87rpm Um: tiempo de pared



Para el calentamiento

ho: 1500 ℎ𝑖 =

𝐾 0.36 𝑅𝑒 2/3 𝑃𝑟1/3 𝐷𝑖

𝑈𝑡𝑒𝑜 = 

ℎ𝑖ℎ𝑜 ℎ𝑖 + ℎ𝑜 Para enfriamiento

hc: caliente ho: frio 𝐽=

ℎ 𝐷𝑖 𝑃𝑟1/3 𝐾

ℎ𝑜 =

1 𝐾 𝑃𝑟 3 (𝐽) 𝐷𝑖

Cálculo de coeficiente de transferencia de calor ℎ𝑖 ℎ𝑖𝑜 𝑈𝑡𝑒𝑜 = ℎ𝑖 + ℎ𝑖𝑜 Para el vapor de agua en la chaqueta referido al diámetro interior del recipiente ℎ𝑖𝑜 = 1500 𝐵𝑇𝑈⁄ℎ 𝑓𝑡 2 ℉ Para realizar el cálculo de ℎ𝑖 se utiliza la siguiente ecuación consistente 2

1

𝐷𝑖 𝐿2 𝑁𝜌 3 𝑐𝜇 3 𝜇 0.14 ℎ𝑖 = 0.36 ( ) ( ) ( ) 𝑘 𝜇 𝑘 𝜇0 2

1

𝐿2 𝑁𝜌 3 𝑐𝜇 3 𝜇 0.14 0.36 ( ) ( ) ( ) 𝜇 𝜇0 𝑘 ℎ𝑖 = 𝐷𝑖 𝑘 2

1

𝑘 𝐿2 𝑁𝜌 3 𝑐𝜇 3 𝜇 0.14 ℎ𝑖 = 0.36 ( ) ( ) ( ) 𝐷𝑖 𝜇 𝑘 𝜇0 ℎ𝑖 = 0.36

2 1 𝜇 0.14 𝑘 (𝑅𝑒)3 (𝑃𝑟)3 ( ) 𝐷𝑖 𝜇0

OBSERVACIONES Y ANALISIS DE RESULTADOS

Se observa que el agua aumenta más rápido su temperatura, esto es en el proceso de calentamiento, y la disminución de temperatura se lleva a cabo un poco más lento (enfriamiento)

CONCLUSIONES

El vapor es un fluido que se puede usar por excelencia en este tipo de intercambiadores, ya que transfiere una gran cantidad de calor en una superficie relativamente pequeña, cambiando este su estado (gas-líquido) para llevar a cabo la transferencia.

BIBLIOGRAFIA



Kern D. Q., Procesos de Transferencia de Calor, Editorial Patria, Mexico, (2009)



PABLO ARTURO GODOY LEMUS. (2003). EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS PARA LA RECUPERACIÓN DE CALOR EN UN REACTOR DE SURFACTANTE EN LA INDUSTRIA DE AGROQUÍMICOS. 12/10/2019, de UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA Sitio web: http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_0859_Q.pdf



Desconocido. (2013). Cambiadores de calor de serpentines y chaqueta. 12/10/2019, de librosdevaliente Sitio web: https://librosdrvaliente.files.wordpress.com/2015/09/capc3adtulo-3-cambiadoresde-calor-de-serpentin-y-chaqueta.pdf