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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

PRÁCTICA NO.3 CARTA DE DÜHRING

CORREA ABRIL JHONNY GABRIEL

AYUDANTE DE CATEDRA:  CARLOS JIMA  PAMELA GUACHI

2017-2018

RESUMEN Determinación de los puntos de ebullición de soluciones salinas a diferentes concentraciones y diferentes presiones, para posteriormente construir la carta de Dühring. Para lo cual se procedió a pesar diferentes cantidades de la sal, luego se prepararon soluciones a distintas concentraciones, se vierte cada una de las soluciones en un recipiente acoplado al sistema de vacío y calentamiento se regula los valores de presión y temperatura en el sistema, se toman los datos de temperatura y se registra la presión del sistema a la cual se llegó al punto de ebullición se repite este procedimiento para cada una de las soluciones. Se concluye que la concentración es directamente proporcional a la temperatura de ebullición. PALABRAS CLAVE: CONCENTRACION/TEMPERATURA_DE_BULLICION/PRESION_DE_SATURAC ION/CARTA_DE_DUHRING.

PRÁCTICA N°3 CARTA DE DÜHRING 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar los puntos de ebullición de soluciones salinas concentradas al vacío y presión atmosférica 1.2. Construir la Carta de Dühring para el sistema. 2. TEORÍA 2.1. Fundamento de Evaporación. “Es una operación que consiste en la separación de un disolvente volátil de un soluto no volátil por vaporización del disolvente.” (Geankoplis, 2010) 2.2. Factores que afectan el proceso en evaporación. Coeficiente Global de transmisión de calor “Es la resistencia de conducción del material que forma la superficie de intercambio de calor entre el vapor y la disolución, incluyendo los depósitos sólidos, y el coeficiente de convección del líquido hirviente. Superficie de Evaporación “Depende del tipo de evaporador, es independiente de las condiciones de operación Diferencia de temperaturas La diferencia de temperaturas entre el vapor condensante y el líquido hirviente es función de los siguientes factores:  Las condiciones del vapor de calefacción  La presión de la cámara de evaporación  La concentración de la disolución” (Vian O., 2005) 2.3. Elevación del punto de ebullición. “Por capacidad de evaporación se entiende, la evaporación total por hora. Además, se conoce que el funcionamiento de un evaporador sea este de simple efecto o múltiple efecto, está regido por las leyes de transferencia de calor expresado mediante la ecuación: 𝑞 = 𝑈𝐴∆𝑇

(1)

Se la diferencia de temperaturas (Temperatura de trabajo) permanece constante en un evaporador de simple y múltiple efecto, Su capacidad de evaporación es la misma por lo que si el ascenso en la temperatura de ebullición de la solución

es menor el gradiente de temperaturas aumenta y por lo tanto aumenta su capacidad de evaporación.” (Vian O., 2005) 2.4. Regla de Dühring. “Si se construye un gráfico del punto de ebullición de la solución e función del punto de ebullición del agua pura a la misma presión se obtiene línea recata para cada concentración de la solución y para todas las presiones” (Vian O., 2005) 2.5. Caída de temperatura en un Evaporador. “Se denomina ΔT aparente a la diferencia entre la temperatura de saturación de vapor y la temperatura de ebullición del solvente puro. Se define ΔT operación a la diferencia entre la temperatura de saturación de vapor y la temperatura de ebullición del líquido hirviente. Ambos valores son distintos, y siempre se cumple que ΔT aparente < ΔT operación, esto se debe a que la temperatura de ebullición de la solución es mayor a la temperatura de ebullición del solvente a la misma presión.” (Vian o., 2005). 3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1. Materiales y Equipos 3.1.1. Bomba de vacío 3.1.2. Balón de destilación

R = (100) mL

3.1.3. Termómetro

R = ( 0-100 )°C ; Ap = ( ±1 )°C

3.1.4. Reverbero 3.1.5. Refrigerante 3.2. Sustancias y Reactivos 3.2.1. Agua

H2O(l)

3.2.2. Cloruro de Sodio

NaCl(s)

3.2.3. Nitrato de Potasio

KNO3(s)

3.2.4. Sulfato de Cobre

Cu2SO4(s)

3.2.5. Bicarbonato de Sodio

NaHCO3(s)

3.2.6. Carbonato de Calcio

CaCO3(s)

3.3. Procedimiento 3.3.1. Preparar 100 ml de soluciones de las sales a distintas concentraciones (3,6,9) % p/p. 3.3.2. Colocar la solución en un balón de destilación.

3.3.3. Armar el equipo de evaporación al vacío. 3.3.4. Instalar el termómetro en la salida del vapor. 3.3.5. Encender la bomba de vacío y medir la temperatura de ebullición de la solución a dos diferentes presiones. 3.3.6. Para la tercera presión apagar la bomba de vacío y registrar la temperatura de ebullición a presión atmosférica. 3.3.7. Repetir el proceso para las diferentes concentraciones de la solución.

4. DATOS 4.1. Datos Experimentales Tabla 1: Datos Experimentales Concentración % sal

Presión Manométrica [mmHg]

Temperatura ebullición [ºC]

200 160 100 542 300 200 100 542 300 200 100 542

3

6

9

de

67 81 88 91 67 80 84 90 75 82 88 91

4.2. Datos Adicionales Tabla 2: Temperatura de ebullición del solvente (H2O) Presión [mmHg] Temperatura de ebullición [°C] 300 200 160 100 542

Fuente: (Perry, 1970) 5. CÁLCULOS

75 65 62 49 92

5.1. Cálculo de la presión absoluta (Cálculo Modelo) 𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜

(2)

𝑃𝑎𝑏𝑠 = (542 − 200)𝑚𝑚𝐻𝑔 = 342𝑚𝑚𝐻𝑔 5.2. Temperaturas de ebullición de la solución en función de la presión absoluta Tabla 3: Temperaturas de ebullición en función de la P(abs). Concentración % sal

Presión

Temperatura

absoluta

ebullición [ºC]

[mmHg]

67 81 88 91 67 80 84 90 75 82 88 91

342 382 442 542 242 342 442 542 242 342 442 542

3

6

9

de

6. RESULTADOS Tabla 4: Resultados Concentración %

Presión

6

9

eb. T

absoluta H20 [mmHg]

3

T

342 382 442 542 242 342 442 542 242 342

[ºC] 78.6 81.45 85.09 90.41 70.34 78.6 85.09 90.41 70.34 78.6

eb.

∆T Solución eb (°C) [ºC] 67 81 88 91 67 80 84 90 75 82

11.6 0.45 -2.91 -0.59 3.34 -1.4 1.09 0.41 -4.66 -3.4

Ecuación

𝑇𝑒𝑏 = 1.8959𝑇𝑒𝑏 (𝑎𝑔𝑢𝑎) − 77.292

𝑇𝑒𝑏 = 1.1082𝑇𝑒𝑏 (𝑎𝑔𝑢𝑎) − 9.6369

𝑇𝑒𝑏 = 0.8146 𝑇𝑒𝑏 (𝑎𝑔𝑢𝑎) + 17.931

442 542

85.09 90.41

88 91

-2.91 -0.59

7. DISCUSIÓN La metodología utilizada fue la idónea ya que con los datos obtenidos se pudo construir la carta de Duhring para una solución de bicarbonato de sodio en la cual podemos apreciar que a diferentes concentraciones de solución a una misma presión tenemos una variación en el punto de ebullición. El porcentaje de error que se pudo tener en los resultados en esta experimentación, se pudo ver visto aumentado por varias situaciones entre las más notorias en la medición de la temperatura del sistema ya que el sistema no estaba correctamente adecuado para poder tomar directamente este valor el valor fue medido tiempo después de la ebullición además que se tenía que liberar de la presión al sistema razón por la cual le medida no es tan exacta como se desearía. Al no contar con un equipo perfectamente adecuado para generar el vacío y al no poder tener la seguridad que los valores de medida de presión en el barómetro sea el exacto se tiene otro error ya que no se tuvo la certeza de la presión exacta del sistema que se nos generaba en el sistema además que el sistema presentaba algunas fugas. Se recomienda adecuar correctamente al equipo o a su vez utilizar el equipo adecuado y no adaptaciones para poder obtener datos exactos y verídicos para la experimentación además de contar con un medidor de presión en el sistema confiable y de esta manera poder llegar a cumplir los objetivos propuestos y reducir notablemente el porcentaje de error.

8. CONCLUSIONES 8.1. Se concluye que la concentración es directamente proporcional a la temperatura de ebullición. 8.2.Al tener concentraciones muy bajas podemos denotar que el sistema tiende a comportarse como un solvente puro. 8.3.Se concluye que presión es inversamente proporcional a la temperatura de ebullición. 9. BIBLIOGRAFÍA.

9.1.1. Vian Ocon, ELEMENTOS DE INGENIERÍA QUIMICA, Problemas de Ingeniería Química, Ed. Aguilar, Madrid, 2005. 9.1.2. Geankopolis C. (2010). Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias (3a. ed.). México: Continental S.A. 9.1.3. Michael J. Moran & Howard N. Shapiro (2006). Fundamentals of Engineering Thermodynamics (5ta. Ed.) England: British Library. 10. ANEXOS 10.1. Diagrama del Equipo. (Ver Anexo 1) 10.2. Carta de Dühring experimental para el sistema. (Ver Anexo 2)

11. CUESTIONARIO 11.1. Qué datos son necesarios para determinar el área de transferencia de calor de un evaporador (descripción de cada uno) 

Condiciones de Operación. De estos valores se obtiene la diferencia de temperatura entre la cámara de condensación y la cámara de calefacción Puesto que calor transferido, depende del calor latente de vaporación del vapor condensante y del flujo másico de entrada, al conocer estos valores se puede calcular el área de un evaporador.



Coeficiente total de trasferencia de calor En el coeficiente total de transferencia de calor, se han de combinar los coeficientes de convección del vapor condensante y del líquido hirviente con las resistencias de conducción de la pared de separación y de los depósitos sólidos que pueden formarse en ambas caras. De todos modos, los factores que determinan este coeficiente total son variables, y por tanto el U varía de unos puntos a otros de la superficie, y el que se emplea en los cálculos es un valor medio un líquido determinado.

11.2. Escriba las ecuaciones de: factor de economía, capacidad evaporativa, capacidad de transferencia de calor y la eficiencia térmica, con sus unidades correspondientes. 

Factor de Economía 𝐸𝐸 =

𝐸 𝑊

Dónde: E= masa de solvente por unidad de tiempo W= masa de vapor de calefacción por unidad de tiempo

(3)



Capacidad evaporativa 𝐶=

𝐸 𝐴

(4)

Dónde: E= masa de solvente por unidad de tiempo A= área de transferencia



Capacidad de transferencia de calor 𝑞 = 𝑈𝐴∆𝑇

(5)

Dónde: U= coeficiente global de transferencia de calor A= área de transferencia ΔT= diferencia de temperatura de trabajo 

Eficiencia térmica 𝑛=

𝑄𝑎 𝑄𝑠

(6)

Dónde: Qa= calor absorbido por la solución Qs= calor suministrado 11.3. ¿De acuerdo a su criterio y tomando en cuenta la operación de evaporación cuales son los puntos en consideración para minimizar el problema de formación de incrustaciones, y cite de bibliografía cuales son los métodos empleados para la remoción de los mismos? El tratamiento mecánico se utiliza en caso de que los químicos no sean necesarios para remover las incrustaciones en el equipo. Métodos: 1. Limpieza con ácido muriático El ácido se tomará por succión, por medio del vacío en los cuerpos, por eyección de aire o por otro procedimiento apropiado. La aplicación de aire comprimido a la solución ácida favorecerá la acción del mismo por efecto de la agitación

El valor del pH crecerá progresivamente hasta estabilizarse en ese momento se habrá concluido la acción del ácido. Este es un procedimiento muy efectivo para determinar el tiempo de duración del tratamiento ácido. 2. Limpieza alcalina con sosa cáustica por el método de hervidura. Tómese en todos los vasos una solución de sosa cáustica hasta cubrir la placa superior de la calandria. Ciérrense las válvulas (de mariposa o de otro tipo) de las tuberías de evaporación y ábranse las de comunicación de cada vaso a la atmósfera. Aplíquese vapor a cada calandria por la línea independiente habilitada a tales efectos, hasta alcanzar aproximadamente la temperatura de 95ºC. Una vez alcanzada manténgase por espacio de 3 a 4.5 horas. Durante ese tiempo háganse adiciones de solución de sosa cáustica para mantener estable el nivel de solución en los vasos. 3. Limpieza alcalina por recirculación de la solución de sosa cáustica. En este método se emplea una solución de sosa cáustica con una concentración del orden del 30 a 40 % en peso, equivalentes a 36 a 44 ºBé a 20/20 ºC. Este sistema basa su principio en la recirculación de una solución de sosa cáustica concentrada que es atomizada hacia la placa superior de los vasos por medio de un fuerte bombeo y una adecuada distribución de los atomizadores de forma que toda la superficie quede bañada por ellos. 4. Limpieza por fermentación de miel final al terminar la zafra. Tiene como objetivo limpiar la superficie de transferencia de calor por dentro y fuera de los tubos. En los evaporadores primarios, primeros vasos de los evaporadores a múltiple efecto, así como en los tachos, que reciben vapor de escape procedente de máquinas reciprocantes de vapor, se realizará está limpieza todos los años, mientras que en el resto de los vasos esta limpieza se efectuará cada 2 o 3 años

Bibliografía: Schneider, F. (ed.) 1968. Technologie des Zuckers. p. 725. Hannover, Alemania.

10. ANEXOS 10.1.Diagrama del Equipo. Imagen 1: Diagrama del equipo de evaporación.

Fuente: Laboratorio de Operaciones Unitarias, Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ingeniería Química (2018).

NOMBRE:

FECHA:

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

DIBUJA:

JHONNY C.

12/01/2018

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÌMICA

REVISA:

CARLOS JIMA

20/01/2018

CARRERA DE INGENIERÌA QUÍMICA

ESCALA:

Tema: CARTA DUHRING

Lámina 1

10.2. Carta de Dühring experimental para el sistema.

T°C de Ebullicion de la solucion

Gráfica 2: Carta de Dühring experimental.

Carta de Dühring para una solución de Bicarbonato de Sodio 100 95 90 85 80 75 70 65 60

y = 0,8146x + 17,931

3%

y = 1.1082x - 9.6369

9%

y = 1,8959x - 77,292

70

75

80

85

6%

90

95

T°C de Ebullicion del Agua

Escala: x: 2 cm  4 °C y: 0.5 cm  2.5 °C

NOMBRE:

FECHA:

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

DIBUJA:

JHONNY C.

12/01/2018

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÌMICA

REVISA:

CARLOS JIMA

20/01/2018

CARRERA DE INGENIERÌA QUÍMICA

ESCALA:

Tema: CARTA DUHRING

Lámina 2