guia de laboratorio fenomenos de transporte 2
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Laboratorio Fenomenos de Transporte 2TRANSCRIPT
2014-2015
GUÍA DE LABORATORIO: FENÓMENOS DE TRANSPORTE 2
Julio Enrique Terán
i
GUIA DE LABORATORIO:
FENÓMENOS DE TRANSPORTE 2
Julio Enrique Terán
Facultad de Ingeniería Química
Universidad Central del Ecuador
2014-2015
ii
INTRODUCCIÓN
En 1957, en la Universidad de Wisconsin (Estados Unidos de América), los
profesores Byron Bird, Warren Stewart, y Edwin Lightfoot, elaboraron por
primera vez un curso que relacionaba los fenómenos de transferencia de
momentum, masa y energía con un enfoque para la aplicación en Ingeniería
Química, que se denominó FENÓMENOS DE TRANSPORTE.
Esta asignatura estableció un nexo entre los transportes de momentum, de
energía, de masa y las operaciones de separación conocidas como
Operaciones Unitarias. Los Fenómenos de Transporte son la columna
vertebral de las Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, por esto, es
de vital importancia su entendimiento y aplicación.
El objetivo general de este curso experimental es proveer las experiencias y
las herramientas necesarias para complementar los conceptos, revisados en
clase y en casa, en la mente de los estudiantes. De esta forma se logra que
no sea un conocimiento memorístico, fácilmente olvidable, sino que por el
contrario, sea un conocimiento sólido, que permita proveer una rápida
respuesta en el momento de requerir de este.
Este documento está compuesto de ocho prácticas experimentales,
estructuradas para cubrir todos los temas previstos a estudiarse en el sílabo
del curso teórico.
El documento está diseñado con dos objetivos específicos: Primero, proveer
un formato para maximizar el trabajo de toma, análisis y entendimiento de
datos en el trabajo experimental y segundo ayudar a la realización del
informe para permitir el aprendizaje, la mejora en la redacción y
entendimiento del mismo.
iii
Quiero agradecer a J. Terán A., C. Terán T. por su tiempo, aportes,
correcciones y conocimiento para que este documento tenga el contenido y
el nivel que requieren los estudiantes que toman esta materia.
Julio Enrique Terán
Quito, Ecuador.
Octubre 2014
iv
Tabla de contenido
1. GENERALIDADES ......................................................................................................
1.1. Manual del Redacción ............................................................................................ 1
a) Procedimiento de la elaboración del informe de laboratorio ....................................... 1
b) Estructura de un informe ............................................................................................... 2
c) Guía de Redacción ......................................................................................................... 3
1.2. Ponderación ............................................................................................................ 10
1.3. Bibliografía Recomendada para el curso ..................................................... 11
2. REGÍSTRO E INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA DE LABORATORIO ....
PRÁCTICA 1: TÍTULO DE VAPOR ............................................................................... 14
PRÁCTICA 2: CONDUCCIÓN TÉRMICA EN SÓLIDOS ......................................... 21
PRÁCTICA 3: CONDUCTORES Y AISLANTES ......................................................... 27
PRÁCTICA 4: CONVECCIÓN NATURAL Y FORZADA ............................................ 32
PRÁCTICA 5: INTERCAMBIADORES DE CALOR ................................................... 38
PRÁCTICA 6: DIFUSIÓN DE GASES ......................................................................... 44
3. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 50
1. GENERALIDADES
“Nunca consideres el estudio como un deber, sino como una maravillosa oportunidad de penetrar en el mundo del saber”.
A. Einstein.
Es importante seguir consolidando los conocimientos y destrezas
aprendidas, lo fundamental de la redacción técnica es aprender a ser
simple, conciso y preciso.
La única forma de lograr adiestrarse en la redacción es hacerlo; hay
que aplicar lo que se corrige, lo que se lee y lo que se investiga.
En esta sección se dan lineamientos para lograr redactar de una
forma adecuada los informes de laboratorio, además se provee de las
herramientas para poder escribir un documento tal como lo es este.
En el futuro, ustedes serán los que lograrán implementar y mejorar
las prácticas de laboratorio, los ensayos, las investigaciones actuales,
entre otras cosas.
Además se adjunta una lista de libros para que puedan tener
bibliografía para consultar ya sea para la parte teórica como para la
parte experimental, ¡sáquenle provecho!
1
1.1. Manual del Redacción
Los informes de laboratorio, desde tiempos inmemoriales, han
sido un dolor de cabeza para los estudiantes. Han generado
disgustos, discusiones, hasta mandarle saludos no amistosos a la
madre del ayudante, pero realmente el asunto es más sencillo de
lo que parece.
La clave de la redacción de informes está en entender y
comprender de qué se trata cada parte. Esta es la falla que la
mayoría de personas poseen, y debido a este particular, se
generan los disgustos mencionados antes.
Se explicará la cronología en la realización de un trabajo
experimental, la estructura de un informe y cada punto del
mismo, y que se espera que contenga esta parte:
a) Procedimiento de la elaboración del informe de laboratorio
La cronología de la realización de un informe sobre un trabajo
práctico debe ser:
1. Título
2. Introducción
3. Objetivos
4. Teoría
5. Parte Experimental
a) Materiales y Equipos
b) Sustancias Empleadas
c) Procedimiento
6. Procesamiento de Datos
a) Datos Experimentales
b) Métodos de procesamiento de datos
c) Cálculos
2
d) Resultados
7. Discusión
a) Análisis de la validez de método
b) Errores sistemáticos y aleatorios
c) Recomendaciones de mejoras de la experimentación
8. Conclusiones
9. Referencias Bibliográficas
10. Resumen
b) Estructura de un informe
Un informe debe contar con la siguiente estructura:
1. Título
2. Resumen
3. Introducción
4. Objetivos
5. Teoría
6. Parte Experimental
a) Materiales y Equipos
b) Sustancias Empleadas
c) Procedimiento
7. Procesamiento de Datos
a) Datos Experimentales
b) Métodos de procesamiento de datos
c) Cálculos
d) Resultados
8. Discusión
a) Análisis de la validez de método
b) Errores sistemáticos y aleatorios
c) Recomendaciones de mejoras de la experimentación
9. Conclusiones
10. Referencias Bibliográficas
3
c) Guía de Redacción
1. Título
Es la carta de presentación del informe. Se utiliza para identificar
y diferenciar el trabajo práctico realizado de cualquier otro.
El título debe considerar los siguientes aspectos:
Debe ser conciso, específico.
Debe ser poco extenso (mejor recordación)
Debe ser descriptivo
Se debe evitar que el título comience con: Cuantificación,
Determinación, Experimentación, Comprobación, ya que
esto le hace redundante al trabajo práctico.
Se debe evitar colocar abreviaturas o cualquier cosa que no
sea evidente para el lector.
Ejemplo:
Determinación del modelo matemático de la viscosidad de la
glicerina. (Incorrecto)
Modelo matemático para la viscosidad de la glicerina. (Correcto)
2. Introducción
En esta sección se hace una breve descripción sobre el
fundamento teórico del trabajo práctico a realizar.
Consiste de tres partes: el propósito, la importancia y el
conocimiento actual.
El propósito indica la razón o el por qué de la realización del
trabajo práctico.
La importancia indica la relevancia del trabajo práctico en una
aplicación industrial.
El conocimiento actual hace referencia al fundamento teórico
aprendido en clases.
4
3. Objetivos
Es lo que se piensa que se puede obtener, comprobar, analizar de
los ensayos.
Por ejemplo, en trabajos experimentales, los objetivos están
orientados a comprobar interacciones de compuestos, fenómenos
físicos y químicos.
Se debe evitar que el objetivo trate de alcanzar efectos que
no se pueden medir (entendimiento, aplicación de
conocimientos, etc.).
4. Teoría
Está enfocada a dar una idea del fundamento teórico base del
experimento a realizar. Es lo que sustenta, en este caso, lo que
está sujeto a comprobación o determinación.
La teoría debe considerar los siguientes aspectos:
Debe ser concisa (fácil lectura, mejor entendimiento).
Debe explicar aspectos no tan evidentes para el lector y que
se deben conocer para comprender de una mejor forma el
experimento.
Se debe evitar que la teoría sea redundante sobre el tema.
Se debe evitar que la teoría sea muy específica.
5. Parte Experimental
Esta sección está compuesta de 3 partes fundamentales:
Materiales y Equipos
Lista todos los elementos utilizados para que la práctica pueda
llevarse a cabo y reproducirse cuantas veces sea necesario por
cualquier persona.
5
Sustancias Empleadas
Indica todo material químico que se utilizó para que la práctica
pueda llevarse a cabo y reproducirse cuantas veces sea necesario
por cualquier persona.
Procedimiento
Es una secuencia de actividades realizadas que permiten ejecutar
el experimento mediante el uso de los materiales, equipos y
sustancias mencionadas anteriormente.
El procedimiento debe considerar los siguientes aspectos:
Debe estar redactado en voz pasiva refleja.
Debe permitir que la persona que quiere ejecutar el
experimento esté en toda la capacidad de obtener los
mismos resultados.
Debe ser claro y específico.
Se debe evitar redactar vivencias personales al realizar el
experimento. (colocar en el vaso de precipitación pero tener
cuidado porque se me regó).
6. Procesamiento de Datos
Datos Experimentales
En esta parte se registran las mediciones obtenidas de las
variables que definen el experimento al ejecutar el
procedimiento.
También pueden existir datos adicionales como constantes,
valores tabulados, entre otros, que se requieren para poder
realizar las siguientes secciones del informe.
Métodos de Procesamiento de Datos
En esta sección se hace referencia a los métodos utilizados
para el tratamiento de los datos experimentales obtenidos con
el fin de consolidar resultados.
Existen entre otros los siguientes métodos de procesamiento
de datos:
6
Métodos Estadísticos (Promedios, Desviación Estándar,
Distribución Normal, etc.)
Métodos de Cálculo (Fórmulas derivadas de la teoría)
Métodos Cualitativos (Observación de propiedades físicas)
Métodos Cuantitativos (Cuantificación de propiedades físicas y
químicas)
Cálculos
Con los datos obtenidos y el/los método(s) escogido(s), se
procede a obtener resultados que permitirán definir si los
objetivos se cumplieron o no y por qué.
Resultados
En esta sección se publican los resultados obtenidos por el
procesamiento de los datos obtenidos en la experimentación.
7. Discusión
Esta es la parte fundamental del trabajo, aquí se debe tener en
cuenta 3 aspectos:
Análisis de la validez del método utilizado
Se debe indicar si el método utilizado para la experimentación fue
adecuado o no para obtener los resultados esperados. En caso
afirmativo o negativo, se debe argumentar el por qué de cada
decisión.
Errores sistemáticos y aleatorios
Aquí se deben indicar los errores que se observaron en la
realización de la experimentación y en qué grado afectó a los
resultados que se obtuvieron, y en qué se evidenció dicha
influencia.
7
Recomendaciones de Mejoras de la Experimentación
La persona que realizó la práctica, basado en su experiencia
puede sugerir mejoras o cambios en la realización de la
experimentación.
8. Conclusiones
Basado en los resultados y la discusión, se analizan las relaciones,
los rangos, las tendencias, las contrastaciones, las semejanzas o
las diferencias entre los resultados obtenidos y lo esperado de la
teoría, y otros experimentos u otras mediciones realizadas en la
misma práctica.
Una buena conclusión debe considerar:
Explicar las observaciones realizadas de una forma concisa
y fundamentada en la teoría.
Indicar las relaciones entre las variables o las tendencias de
éstas en el fenómeno observado, cómo afectan, y cómo se
evidencian las variables en el fenómeno.
Se debe evitar concluir que se realizaron las actividades con
éxito, o comentar errores, esto se debe hacer en la
discusión.
Se debe evitar explicar tendencias basadas en el modelo
matemático solamente, sino interpretar la influencia de esa
tendencia en el fenómeno.
9. Referencias Bibliográficas
Debido a que se hace una consulta de literatura especializada para
redactar la teoría y entender el fenómeno es de vital importancia
colocar las citas bibliográficas y bibliografía en un informe. De lo
contrario se asume que todo lo que se redactó es de su autoría, lo
que no es cierto y por ende se está cometiendo un PLAGIO
(COPIA).
8
Cita Bibliográfica
La cita bibliográfica es una referencia que indica que se tomó
textualmente o utilizó el sentido completo de un texto para
incorporarlo en el informe.
Una cita bibliográfica consta de dos partes: La primera es la cita,
que va entre comillas en el texto del informe; y la segunda es la
referencia bibliográfica que va ubicada en el apartado
correspondiente.
Una referencia bibliográfica correcta contiene toda la información
que más pueda para permitir que la persona que desee pueda
encontrar esta información sin ninguna dificultad.
Una referencia bibliográfica correcta tiene la siguiente estructura:
Nombre del Autor
Título de la Obra
Si se trata de una traducción
Edición o Reimpresión
Editorial
Lugar de Impresión
Fecha de impresión
Página(s)
Ejemplo:
Perry, R., Greene D., Manual del Ingeniero Químico, trad. del
inglés, Séptima Edición, Editorial McGraw-Hill, México, 2010, p.30.
Bibliografía
La bibliografía es el material que se utilizó para sustentar ideas
propias redactadas que se incorporan en el informe.
Estas no se redactan como citas, sino solo como referencias
bibliográficas.
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10. Resumen
El resumen es la parte final de la redacción del informe,
curiosamente este se encuentra siempre al principio del mismo.
El resumen sirve para indicar a un lector a breves rasgos todos los
puntos que se trataron anteriormente en la realización del
informe.
El tamaño del resumen no debe tener menos de 80 palabras y no
debe exceder las 110 palabras.
Un resumen debe contener las siguientes partes:
¿Qué se hizo?
Se indica cual fue el objetivo primario de la experimentación.
Se determinó…., Se realizó, Se comprobó… (Incorrecto)
Determinación…, Realización…., Comprobación… (Correcto)
¿Cómo se hizo?
Se indica de forma resumida el procedimiento utilizado en la
experimentación. No se indica nombres de equipos o reactivos.
¿Qué se obtuvo?
Se indica que resultados de la experimentación (que definen el
propósito) se obtuvieron.
¿Qué se concluye?
Se redacta una conclusión general del experimento, que permita
observar la validez del trabajo realizado (Si cumplió o no con los
objetivos y por qué).
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1.2. Ponderación
Las notas de informe están evaluadas sobre 20 puntos y con la siguiente ponderación
Resumen 3 ptos
Título
Introducción
Objetivos
Teoría 2 ptos
Parte Experimental
Procesamiento de datos
Tabla de Datos,
Método de procesamiento de Datos 3 ptos
Resultados
Discusión 5 ptos
Conclusiones 5 ptos
Referencias Bibliográficas
Cuestionario
Anexos/Apreciación 2 ptos
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1.3. Bibliografía Recomendada para el curso
“La verdadera universidad en nuestros días consiste en una
colección de libros”
Thomas Carlyle
Como Ingenieros Químicos, la fortaleza más grande que se puede
tener es aprender el fundamento y saber en dónde se puede
consultar para refrescar ese conocimiento.
Últimamente la gente ha encontrado en el internet una solución a
todas sus dudas. Hay que tener cuidado con esto, porque internet
está abierto a todos, y no todo lo que se puede encontrar es
cierto.
Por esto, es importante indicar varios libros que son
fundamentales para el estudio y la consulta de temas sobre
Fenómenos de Transporte. Se adjunta a continuación la lista:
o Bird, B., Stewart, W., Lightfoot, E., Transport Phenomena,
Second Edition, John Wiley & Sons, USA, 2002.
o Coulson, J.M., Richardson, J.F., Chemical Engineering: Fluid
Flow, Heat and Mass Transfer, Volume 1, Sixth Edition,
Butterworth-Heinemann, UK, 1999.
o Welty, J., Fundamentals of Momentum, Heat and Mass
Transfer, Fifth Edition, John Wiley & Sons, USA, 2008.
o Geankoplis, C.J., Transport Processes and Unit Operations,
Third Edition, Prentice Hall, USA, 1993.
o Bretsznajder, S., Prediction of Transport and other Physical
Properties of Fluids, trans. from polish, First Edition,
Pergamon Press, Poland, 1971.
12
o Poling, B., Praunsnitz, J., The Properties of Gases and
Liquids, Fifth Edition, McGraw-Hill, USA, 2001.
o Lide, D. (Editor), Handbook of Chemistry and Physics, 89th
Edition, CRC press, USA, 2008.
o McCabe, W., Smith, J., Unit Operations in Chemical
Engineering, Seventh Edition, McGraw-Hill, USA, 2002.
o Perry, R., Greene, D., Perry’s Chemical Engineers’
Handbook, 8th Edition, McGraw-Hill, USA, 2008.
o Valiente, A., Noriega, J., Manual del Ingeniero Químico,
Primera Edición, Editorial Limusa, México, 1993.
o Kern, D., Process Heat Transfer, 21st Reprinting, McGraw
Hill, Japan, 1983.
o Cao, E., Heat Transfer in Process Engineering, First Edtion,
McGraw Hill, USA, 2010
o Holman, J.P., Heat Transfer, tenth edition, McGraw Hill,
USA, 2010.
o Incopera, F., DeWitt, D., Fundamentals of Heat and Mass
Transfer, sixth edition, Prentice Hall, USA, 2010.
o Cengel, Y., Heat and Mass Transfer: A practical approach,
third edition, McGraw Hill, USA, 2007.
o Treybal, R., Mass Transfer Operations, third edition,
McGraw Hill, USA, 1981.
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Cabe anotar que casi todos estos libros se encuentran en la red y
en español, es solo cuestión de buscarlos. ¡Aprovechen esta
información, les será muy útil!
2. REGÍSTRO E INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA DE LABORATORIO
“Son vanas y están plagadas de errores las ciencias que no han nacido del experimento, madre de toda certidumbre”.
L. Da Vinci
En esta sección se encuentran los formatos para cada práctica, que
ayudarán a entender que se va a hacer, tomar notas claras y útiles
para la realización del informe que es el objetivo final.
Además de lo que se obtiene en el trabajo experimental, es necesario
completar la información con los elementos restantes para poder
realizar el informe de laboratorio como se mencionó al comienzo de
este trabajo.
Cada uno de estos formatos se diseñó específicamente para cada
práctica, por lo que es importante que se revise esta información
antes de realizar la parte experimental, para que se prepare la
información y se tenga una idea de que es lo que se intentará
obtener.
Es muy importante que a medida que se realiza la redacción, se
relacione los aspectos teóricos, los cálculos y las gráficas con los
datos obtenidos en el laboratorio. De esa forma se tendrá mayor
facilidad para recordar el fenómeno de una forma completa (teórica y
práctica)
14
PRÁCTICA 1: TÍTULO DE VAPOR
1. Introducción
El manejo del vapor como fuente de energía para la industria ha
sido usado por siglos. Es importante conocer cómo se genera, qué
equipos se utiliza para ello y cómo se comprueba la calidad del
mismo. El fundamento de esta comprobación está basado en la
teoría generada en termodinámica, pero aplicada en este caso a
escala piloto. Por esta razón es procedente adiestrar este
conocimiento para su posterior uso en la industria.
2. Objetivos
2.1. Explicar el funcionamiento de un generador de vapor y su
operación.
2.2. Determinar el título del vapor que se obtiene en el caldero del
laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de Ingeniería
Química.
3. Fundamento Teórico
3.1. Vapor (Tabla de propiedades importantes con sus valores
numéricos reales)
3.2. Título de vapor
3.3. Caldero
3.4. Tablas de vapor
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4. Parte Experimental
4.1. Materiales
4.1.1. Balde de Agua de 5 L
4.1.2. Guantes Aislantes de calor.
4.1.3. Ropa Cerrada (Mandil, Camiseta, jean, zapatos cerrados).
4.1.4. Gafas de seguridad.
4.1.5. Termómetro con un rango de 0 a 100°C.
4.1.6. Probeta de 1000 mL.
4.2. Sustancias
4.2.1. Agua líquida.
4.2.2. Vapor de agua.
4.3. Procedimiento
4.3.1. Encendido del Caldero
4.3.1.1. Observar que los reservorios tanto de agua como de
combustible diesel estén a un nivel adecuado para la
operación.
4.3.1.2. Purgar el caldero mediante la válvula superior e inferior.
4.3.1.3. Cebar la bomba de alimentación de agua. Prender la bomba y
permitir el flujo de agua hacia el caldero.
16
4.3.1.4. Revisar en el visor el nivel del agua, cuando esté
aproximadamente ¾ lleno, encender la bomba de suministro
de combustible. El caldero encenderá su llama piloto
automáticamente si esta condición se cumple.
4.3.1.5. Esperar un tiempo prudencial y el caldero comenzará a generar
vapor.
4.3.2. Determinación del título de vapor
4.3.2.1. Cuando ya se haya generado vapor, abrir la válvula
correspondiente en el cabezal de distribución para tener flujo
de vapor en la línea correspondiente.
4.3.2.2. Llenar un balde con 4 L de agua a temperatura ambiente,
mediante la probeta
4.3.2.3. Medir la temperatura ambiente, posterior a la inyección de
vapor al balde.
4.3.2.4. Ingresar la manguera al balde, regular la presión de salida del
vapor. Mantener la manguera por 1 minuto.
4.3.2.5. Cerrar la corriente de vapor. Tomar la temperatura y medir el
volumen final del balde, mediante la probeta
4.3.2.6. Repetir el procedimiento por dos ocasiones más, variando la
presión del vapor pero manteniendo el volumen de agua fría
inicial constante.
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5. Procesamiento de Datos
5.1. Datos Experimentales
Tabla 5.1-1
Datos Experimentales
Tiempo, min P1= P2= P1=
V, L T, OC V, L T, OC V, L T, OC
5.1.1. Datos Adicionales
Tabla 5.1.1-1
Datos Experimentales
T, OC Densidad, kg/L Cp, kcal/kg OC
Fuente:
(Consultar los valores de temperatura que se obtuvieron en la
práctica)
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5.2. Método de Procesamiento de Datos
Para esta práctica se realizará un procesamiento de datos
mediante cálculos. Para esto se proporcionará las respectivas
fórmulas para analizar los datos experimentales obtenidos.
5.3. Cálculos
5.3.1. Cálculo de la masa inicial y final del agua
mi= i * Vi Ec.5.3.1-1
mf= f * Vf Ec.5.3.1-2
5.3.2. Cálculo de la presión absoluta
Pabs Patm Pman Ec.5.3.2-1
Realizar el cálculo para los 3 casos realizados.
5.3.3. Entalpía del Vapor y del agua líquida
Tabla 5.3.3-1
Entalpías del vapor y del líquido
P abs, atm H vap (kcal/kg) H liq (kcal/kg)
Fuente:
19
5.3.4. Entalpía de vaporización del agua
Tabla 5.3.4-1
Entalpías de vaporización
T, OC Hvap (kcal/kg)
Fuente:
5.3.5. Cálculo del título de vapor
[Entalpía del vapor]-[Entalpía del agua procedente del vapor a
t2]=
[Calor obtenido por el líquido W1] Ec.5.3.5-1
(mf-mi)[(Hv*x) + (hf*(1-x))] - (mf-mi)*Hvap = mi Cp*(tf-ti)
Ec.5.3.5-2
Despejar X
5.4. Resultados
Tabla 5.4-1
Resultados
P, atm P abs, atm Ti, oC Tf, oC mi, kg mf, kg X
20
6. Discusión
Realizar el análisis de la experiencia como se indicó en la primera
parte.
Utilizar la información generada en los gráficos y los resultados
para poder visualizar mejor las relaciones obtenidas. La discusión
tiene una longitud mínima de 10 líneas.
7. Conclusiones
A partir de las gráficas y las indicaciones de la primera parte del
documento, redactar al menos 3 conclusiones sustanciales o 4
conclusiones de menor extensión.
8. Referencias Bibliográficas
8.1. Citas Bibliográficas
8.2. Bibliografía
No debes olvidar que todo lo que consultaste para el fundamento
teórico debe ir aquí. Recuerda, ¡solo se aceptan citas
bibliográficas pertenecientes de libros!
9. Anexos
9.1. Diagrama del Equipo (Detallando cada parte)
9.2. Tablas de Vapor (Indicando los valores tomados)
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PRÁCTICA 2: CONDUCCIÓN TÉRMICA EN SÓLIDOS
1. Introducción
El manejo del conocimiento de cómo se transfiere en calor en los
cuerpos y fluidos es de vital importancia para la optimización en el
uso energético de la planta. La conducción térmica es un
mecanismo fundamental para el transporte de energía en la
industria debido a que está presente en todo proceso. Es
importante relacionar el fenómeno experimental con las
ecuaciones y relaciones expuestas en clase para lograr un mejor
entendimiento.
2. Objetivos
2.1. Estudiar experimentalmente el mecanismo de transmisión de calor
por conducción en sólidos de distinto tipo.
2.2. Determinar los factores que influyen en la transmisión de calor por
conducción.
2.3. Determinar el coeficiente de conducción para dos tipos de sólidos.
3. Fundamento Teórico
3.1. Transferencia de calor
3.2. Mecanismos de transporte de calor
3.3. Ley de Fourier
3.4. Conductividad Térmica
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4. Parte Experimental
4.1. Materiales
4.1.1. Barra de acero.
4.1.2. Barra de aluminio
4.1.3. Vela.
4.1.4. Fósforos.
4.1.5. Cronómetro
4.1.6. Soporte Universal
4.1.7. Regla
4.1.8. Marcador
4.2. Procedimiento
4.2.1. Colocar una varilla en el soporte universal con ayuda de una
nuez.
4.2.2. Pesar la vela, determinar su masa inicial.
4.2.3. Marcar distancias iguales (ejm. 3 cm) en la barra desde el
extremo.
4.2.4. Colocar la vela en el candelabro, encenderla y colocarla bajo la
barra.
4.2.5. Dejar pasar un tiempo prudencial, tomar las temperaturas en
cada punto marcado.
4.2.6. Pesar la masa final de la vela y determinar el área de la barra.
23
5. Procesamiento de Datos
5.1. Datos Experimentales
Tabla 5.1-1
Datos Experimentales
Distancia, cm Temperatura, OC
Tabla 5.1-2
Datos Experimentales
Material Masa inicial, g Masa Final, g
Parafina
Tabla 5.1-3
Datos Experimentales
Área de la barra, cm2
Tiempo de Exposición al calor, s
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5.1.1. Datos Adicionales
Tabla 5.1.1-1
Datos Adicionales
Poder calórico de la parafina, kcal/kg
Fuente:
5.2. Método de Procesamiento de Datos
Para esta práctica se realizará un procesamiento de datos
mediante cálculos. Para esto se proporcionará las respectivas
fórmulas para analizar los datos experimentales obtenidos.
5.3. Cálculos
5.3.1. Cálculo del perfil de temperatura total
∆
∆ Ec.5.3.1-1
5.3.2. Cálculo del flujo de calor cedido.
Q ∗ ó
ó Ec.5.3.2-1
5.3.3. Cálculo de la conductividad térmica del material.
k Ec.5.3.3-1
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5.4. Resultados
Tabla 5.4-1
Resultados
Material , OC/cm Q, kcal/s k, kcal/ OC cm s
6. Discusión
Realizar el análisis de la experiencia como se indicó en la primera
parte.
Utilizar la información generada en los gráficos y los resultados
para poder visualizar mejor las relaciones obtenidas. La discusión
tiene una longitud mínima de 10 líneas.
7. Conclusiones
A partir de las gráficas y las indicaciones de la primera parte del
documento, redactar al menos 3 conclusiones sustanciales o 4
conclusiones de menor extensión.
8. Referencias Bibliográficas
8.3. Citas Bibliográficas
8.4. Bibliografía
No debes olvidar que todo lo que consultaste para el fundamento
teórico debe ir aquí. Recuerda, ¡solo se aceptan citas
bibliográficas pertenecientes de libros!
26
9. Anexos
9.1. Diagrama del Equipo (Detallando cada parte)
9.2. Gráfico Temperatura vs. longitud
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PRÁCTICA 3: CONDUCTORES Y AISLANTES
1. Introducción
En base a la teoría revisada sobre la conducción, existen
materiales que permiten propagar el calor de una manera rápida
así como existen otros que mantienen la temperatura lo más
homogénea posible para optimizar su uso. En la industria existen
una variedad de procesos que requieren de conducción y
aislamiento y es importante reconocer cuando se requiere cada
uno. Este conocimiento es una aplicación práctica de la ley de
Fourier revisada en clase y es importante su entendimiento y uso.
2. Objetivos
2.1. Observar las diferencias entre materiales conductores y aislantes.
2.2. Determinar qué características hacen un material conductor o
aislante.
3. Fundamento Teórico
3.1. Ley cero de la termodinámica
3.2. Conductividad Térmica
3.3. Conductor térmico
3.4. Aislante térmico
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4. Parte Experimental
4.1. Materiales
4.1.1. Velas del mismo color (3)
4.1.2. Palillo para pincho
4.1.3. Agitador de vidrio
4.1.4. Alambre de cobre con y sin aislamiento (50 cm de cada uno)
4.1.5. Estilete
4.1.6. Pedazo de cartón (50 cm x 50 cm)
4.1.7. Alambre galvanizado (1 m)
4.2. Procedimiento
4.2.1. Raspar la vela, recubrir los materiales con este material lo más
homogéneo posible.
4.2.2. Calentar agua en la lata hasta que llegue a 60 OC.
4.2.3. Amarrar una de los materiales a una barra, colocar la punta
dentro del agua. Anotar las observaciones.
4.2.4. Repetir el procedimiento para los otros materiales.
29
5. Procesamiento de Datos
5.1. Datos Experimentales
Tabla 5.1-1
Datos Experimentales
Material Observaciones
30
5.2. Método de Procesamiento de Datos
Para esta práctica se realizará un procesamiento de datos
mediante observaciones cualitativas. Para esto se proporcionará
una tabla para colocar los resultados del análisis de las
observaciones del experimento.
5.3. Resultados
Tabla 5.3-1
Resultados
Material ¿Conductor? ¿Por qué?
6. Discusión
Realizar el análisis de la experiencia como se indicó en la primera
parte.
Utilizar la información generada en los gráficos y los resultados
para poder visualizar mejor las relaciones obtenidas. La discusión
tiene una longitud mínima de 10 líneas.
31
7. Conclusiones
A partir de las gráficas y las indicaciones de la primera parte del
documento, redactar al menos 3 conclusiones sustanciales o 4
conclusiones de menor extensión.
8. Referencias Bibliográficas
8.5. Citas Bibliográficas
8.6. Bibliografía
No debes olvidar que todo lo que consultaste para el fundamento
teórico debe ir aquí. Recuerda, ¡solo se aceptan citas
bibliográficas pertenecientes de libros!
9. Anexos
9.1. Diagrama del equipo (Detallando cada parte)
32
PRÁCTICA 4: CONVECCIÓN NATURAL Y FORZADA
1. Introducción
El fundamento del transporte de energía por convección ayuda a
complementar como se transmite el calor al interior de los procesos.
La convección natural y forzada es importante en la industria ya que se
utiliza para aplicaciones de enfriamiento en intercambiadores de calor
mayormente. Este conocimiento reforzará los conceptos revisados en
clase y proveerá una idea más clara que la entregada por las
ecuaciones respectivas.
2. Objetivos
2.1. Estudiar experimentalmente los mecanismos de transferencia de calor
en la convección natural y forzada.
2.2. Determinar experimentalmente las variables que intervienen en el
transporte de energía por convección.
3. Fundamento Teórico
3.1. Convección Natural
3.2. Convección Forzada
3.3. Ley de Enfriamiento de Newton
3.4. Número de Nusselt
3.5. Capa límite térmica
33
4. Parte Experimental
4.1. Materiales
4.1.1. Equipo de Convección
4.1.2. Hielo (1 funda)
4.2. Procedimiento
4.2.1. Pesar una cantidad de cubos de hielo que puedan alcanzar en el
equipo (Una por cada embudo).
4.2.2. Medir la temperatura inicial del hielo con el termómetro.
4.2.3. Colocar el hielo en cada uno de los embudos. Comenzar a tomar el
tiempo.
4.2.4. Abrir la válvula del aire comprimido que está conectada al equipo.
4.2.5. En intervalos de 4 minutos, medir el volumen de agua líquida
obtenida del hielo. (Si el volumen de líquido no se puede apreciar
en la probeta, pesar el volumen del mismo).
4.2.6. Pesar el hielo remanente luego de realizar el número de
mediciones propuestas. Tomar la temperatura final del mismo.
34
5. Procesamiento de Datos
5.1. Datos Experimentales
Tabla 5.1-1
Datos Experimentales
Convección natural Convección Forzada N V, mL Tiempo, s N V, mL Tiempo, s 1 12 23 34 45 56 6Masa inicial, kg Masa inicial, kgTemp. Inicial,
OC Temp. Inicial,
OC Masa final, kg Masa final, kg
Temp. Final, OC Temp. Final, OC
Observaciones:
35
5.1.1. Datos Adicionales
Tabla 5.1.1-1
Datos Adicionales
T, OC Sustancia Densidad, g/mL
(Buscar las densidades a las temperaturas obtenidas en el experimento)
Fuente:
5.2. Método de Procesamiento de Datos
Para esta práctica se realizará un procesamiento de datos mediante
observaciones cualitativas. Para esto se proporcionará una tabla para
colocar los resultados del análisis de las observaciones del
experimento
36
5.3. Resultados
Tabla 5.3-1
Diferencias entre Convección Natural y Convección Forzada
Variable Diferencia ¿Por qué?
6. Discusión
Realizar el análisis de la experiencia como se indicó en la primera
parte.
Utilizar la información generada en los gráficos y los resultados
para poder visualizar mejor las relaciones obtenidas. La discusión
tiene una longitud mínima de 10 líneas.
7. Conclusiones
A partir de las gráficas y las indicaciones de la primera parte del
documento, redactar al menos 3 conclusiones sustanciales o 4
conclusiones de menor extensión.
8. Referencias Bibliográficas
8.1. Citas Bibliográficas
8.2. Bibliografía
37
No debes olvidar que todo lo que consultaste para el fundamento
teórico debe ir aquí. Recuerda, ¡solo se aceptan citas
bibliográficas pertenecientes de libros!
9. Anexos
9.1. Diagrama del equipo (detallando cada parte)
38
PRÁCTICA 5: INTERCAMBIADORES DE CALOR
1. Introducción
El aprovechamiento de la energía es un tema que sigue vigente en la
actualidad. La búsqueda de nuevos procesos de intercambio de calor
es fundamental para el continuo desarrollo de la industria. Los
intercambiadores de calor son los equipos más utilizados en todas las
plantas y siempre están presentes en las mismas. Por esta razón el
análisis de su funcionamiento, cálculo y optimización son claves en la
labor de un Ingeniero Químico. Este tema complementará los
fundamentos teóricos vistos en clase y proveerán un enfoque más
claro sobre el tema.
2. Objetivos
2.1. Analizar los diferentes factores que influyen en el intercambio de
calor provisto por un equipo.
2.2. Determinar las diferencias principales entre los tipos de
intercambiadores de calor.
2.3. Determinar el coeficiente total de transporte de calor de un
equipo de intercambio de calor.
3. Fundamento Teórico
3.1. Intercambiador de Calor
3.2. Tipos de intercambiadores de calor
(Al menos 3 con su respectivo gráfico y detalles)
39
3.3. Temperatura Media Logaritmica (MLDT)
3.4. Coeficiente total de transferencia de calor
3.5. Factor de Ensuciamiento
4. Parte Experimental
4.1. Materiales
4.1.1. Equipo de Intercambio de calor de carcasa
4.1.2. Probeta
4.1.3. Cronómetro
4.1.4. Flexómetro
4.2. Procedimiento
4.2.1. Generar vapor con la utilización del caldero.
4.2.2. Revisar los suministros de vapor y agua con sus conexiones
respectivas al intercambiador para evitar fugas.
4.2.3. Colocar los termómetros en lugares en donde se pueda medir la
temperatura tanto en la entrada como en la salida.
4.2.4. Abrir las llaves de admisión de vapor y de agua al
intercambiador. Realizar las mediciones de temperatura y caudal
para el agua caliente.
4.2.5. Abrir la llave de admisión del agua fría y dejar circular el agua
salida del paso anterior. Tomar valores de temperatura y caudal
del agua enfriada y del agua de enfriamiento.
4.2.6. Tomar los datos de longitud efectiva y diámetros del
intercambiador.
40
5. Procesamiento de Datos
5.1. Datos Experimentales
Tabla 5.1-1
Dimensiones Intercambiador de carcasa
D, m Longitud Ef., m Número de Tubos Carcasa Tubo Interno 0,0125 40
Tabla 5.1-2
Datos Experimentales: Calentamiento
Agua Vapor
Temp Ent., OC Temp Sal, OC
Flujo, L/s Presión, psi Temp, OC Calidad
Tabla 5.1-3
Datos Experimentales: Enfriamiento
5.2. Método de Procesamiento de Datos
Para esta práctica se realizará un procesamiento de datos mediante
cálculos. Para esto se proporcionará las respectivas fórmulas para
analizar los datos experimentales obtenidos.
Agua Caliente Agua de Enfriamiento
Temp Entr., OC Temp Sal, OC Flujo, L/s Temp Entr.,OC Temp Sal, OC Flujo, L/s
41
5.3. Cálculos
5.3.1. Cálculo del calor ganado por el agua a calentar
Q ganado = Q perdido Ec.5.3.1-1
Q ganado = *V*Cp*(Tf-Ti) Ec. 5.3.1-2
5.3.2. Cálculo del área de transferencia para el calentamiento
A= * Di * L * n Ec.5.3.2-1
5.3.3. Cálculo del MLDT
MLDT Ec.5.3.3-1
5.3.4. Cálculo del coeficiente total de transferencia de calor para el
calentamiento
U∗
Ec. 5.3.4-1
5.3.5. Cálculo del calor perdido por el agua caliente
Q ganado = Q perdido Ec.5.3.5-1
Q ganado = *V*Cp*(Tf-Ti) Ec. 5.3.5-2
42
5.3.6. Cálculo del área de transferencia para el enfriamiento
A= * Di * L * n Ec.5.3.6-1
5.3.7. Cálculo del MLDT
MLDT Ec.5.3.7-1
5.3.8. Cálculo del coeficiente total de transferencia de calor para el
enfriamiento
U∗
Ec. 5.3.8-1
5.4. Resultados
Tabla 5.4-1
Resultados
MLDT U, kJ/h m2 OC
Q, kJ/h Calentamiento Enfriamiento Calentamiento Enfriamiento A, m2
6. Discusión
Realizar el análisis de la experiencia como se indicó en la primera
parte.
Utilizar la información generada en los gráficos y los resultados para
poder visualizar mejor las relaciones obtenidas. La discusión tiene una
longitud mínima de 10 líneas.
43
7. Conclusiones
A partir de las gráficas y las indicaciones de la primera parte del
documento, redactar al menos 3 conclusiones sustanciales o 4
conclusiones de menor extensión.
8. Referencias Bibliográficas
8.1. Citas Bibliográficas
8.2. Bibliografía
No debes olvidar que todo lo que consultaste para el fundamento
teórico debe ir aquí. Recuerda, ¡solo se aceptan citas bibliográficas
pertenecientes de libros!
9. Anexos
9.1. Diagrama del equipo (detallando cada parte)
44
PRÁCTICA 6: DIFUSIÓN DE GASES
1. Introducción
El entendimiento del mecanismo de transporte de masa mediante
difusión es un concepto crucial para comprender los fenómenos que
ocurren en los equipos. En la industria muchas veces no se ven estos
procesos de transferencia, sin embargo es importante conocer que
ocurre, y como ocurre en los mismos. Esta práctica reforzará los
conocimientos vistos en clase y ayudará a visualizar mejor el tema.
2. Objetivos
2.1. Determinar el valor de la difusividad de una sustancia en el aire a
temperatura ambiente.
2.2. Obtener una relación matemática entre el número de Reynolds y
el coeficiente de difusión.
2.3. Comprobar la validez de la ecuación de Gilliland para estimar la
difusividad en sistemas gaseosos.
3. Fundamento Teórico
3.1. Ley de Fick de la Difusión
3.2. Difusividad
3.3. Tubo de Stephan
3.4. Ecuación de Gilliland
45
4. Parte Experimental
4.1. Materiales
4.1.1. Anemómetro
4.1.2. Tubo de Stephan
4.1.3. Ventilador
4.1.4. Jeringuilla
4.2. Sustancias
4.2.1. Acetona
4.2.2. Aire
4.3. Procedimiento
4.2.1. Con la jeringuilla, medir menos de 1 mL de acetona, y
lentamente colocar la acetona en el tubo de Stephan.
4.2.2. Conectar el ventilador a la corriente eléctrica y generar una
velocidad baja para comenzar, medir la velocidad del aire.
4.2.3. Luego de 15 minutos, tomar la medición de velocidad del aire
con el anemómetro y la altura del líquido.
4.2.4. Tomar mediciones de altura y líquido cada 15 minutos.
46
5. Procesamiento de Datos
5.1. Datos Experimentales.
Tabla 5.1-1
Datos Experimentales sin agente Externo
N t, s Z, mm
Tabla 5.1-2
Datos Experimentales con agente externo
n V aire, m/s t, min z, mm
Diametro mayor D1=
Diametro menor D2=
5.1.1. Datos Adicionales
Tabla 5.1.1-1
Propiedades fisicoquímicas de la Acetona a T=
Sustancia P vap, atm , g/cm3 M, g/mol V, cm3/mol
Fuente:
47
Tabla 5.1.1.-2
Propiedades Fisicoquímicas del aire a T=
Sustancia , cP , g/cm3 M, g/mol V, cm3/mol
Fuente:
Tabla 5.1.1-3
Datos de los tubos de Stephan
Tubo Diámetro, mm
5.2. Método de Procesamiento de Datos
Para esta práctica se realizará un procesamiento de datos mediante
cálculos. Para esto se proporcionará las respectivas fórmulas para
analizar los datos experimentales obtenidos.
5.3. Cálculos
5.3.1. Cálculo del número de Reynolds
Re Ec.5.3.1-1
5.3.2. Cálculo de la difusividad experimental
D∗ ∗
∗ ∗ ∗ ∗ Ec. 5.3.2-1
48
5.3.3. Cálculo de la difusividad con la ecuación de Gilliland
D, ∗
∗
∗ /
Ec.5.3.3-1
5.4. Resultados
Tabla 5.4-1
Valores de Difusividad
N Re DA-B exp, cm2/s2 DA-B Gilliland, cm2/s2
6. Discusión
Realizar el análisis de la experiencia como se indicó en la primera
parte.
Utilizar la información generada en los gráficos y los resultados para
poder visualizar mejor las relaciones obtenidas. La discusión tiene una
longitud mínima de 10 líneas.
7. Conclusiones
A partir de las gráficas y las indicaciones de la primera parte del
documento, redactar al menos 3 conclusiones sustanciales o 4
conclusiones de menor extensión.
49
8. Referencias Bibliográficas
8.1. Citas Bibliográficas
8.2. Bibliografía
No debes olvidar que todo lo que consultaste para el fundamento
teórico debe ir aquí. Recuerda, ¡solo se aceptan citas bibliográficas
pertenecientes de libros!
9. Anexos
9.1. Diagrama del equipo (detallando cada parte)
9.2. Diagrama DA-B exp vs Re
50
3. BIBLIOGRAFÍA
3.1. Alonso M., Física General, Tomo II: Hidromecánica-Calor, Cultural,
Cuba, 1953.
3.2. American Chemical Society, Handbook for Authors of Papers in
American Chemical Society Publications, A.C.S. Publications, USA,
1978.
3.3. Baumister T., Avallone E., Baumister III T., Marks Manual del
Ingeniero Mecánico, trad. de la octava ed. en inglés, segunda ed. en
español, McGraw-Hill, 1985.
3.4. Brown, G.G., Operaciones Básicas de la Ingeniería Química, trad. del
inglés, Primera Edición, Ed. Manuel Marín, España, 1959.
3.5. Busev A., Efimov I, Chemistry Definitions, Notions, Terminology,
Second printing, Moscow, 1987.
3.6. Cook T., Cullen D., Chemical Plat and its Operation, Second SI ed.,
Pergamon Press, Hungary, 1980.
3.7. Cook T., Matterson K., A Chemical Operatives Handbook, Pergamon
Press, Great Britain, 1968.
3.8. Crosby, E.J., Experimentos sobre Fenómenos de Transporte en las
Operaciones Unitarias de la Industria Química, trad. del inglés,
Primera Edición, Ed. Hispano Americana, Argentina, 1968.
3.9. Day, R., How to Write and Publish a Scientific Paper, Philadelphia, ISI
Press, USA, 1979.
3.10. Diberardinis L., Gatwood G., Baum J., Groden E., First M., Seth A.,
Guidelines for Laboratory Design: Health and Safety Considerations,
John Willey & Sons, USA, 1987.
51
3.11. Doolittle, J.S., El laboratorio del Ingeniero Mecánico, trad. del inglés,
Segunda Edición, Ed. Hispano Americana, Argentina, 1971.
3.12. Elonka S., Operación de plantas Industriales, trad. de la tercera ed.
del inglés, McGraw-Hill, México, 1989.
3.13. Formoso A., Formoso 2000 procedimientos Industriales al alcance de
todos, trece edición, Selecciones Gráficas, España, 1975.
3.14. Forchheimer, Tratado de Hidráulica, trad. de la tercera ed. Alemana,
segunda reimpresión, Labor, España, 1950.
3.15. Isnardi, Collo, Física: Segundo Curso, ESMA, Argentina, 1938.
3.16. Merrit F., Manual del Ingeniero Civil, trad., de la segunda ed. en
inglés, McGraw-Hill, México, 1982.
3.17. Molyneux, F., Ejercicios de Laboratorio de Ingeniería Química, trad.
del inglés, Primera Edición, Ed. Blume, España, 1969.
3.18. Kanare, H.M., Writing the Laboratory Notebook, First Edition, A.C.S.
Publications, USA, 1973.
3.19. Lark P, Craven B, Bosworth R, The Handling of chemical Data,
Pergamon Press, Great Britain, 1968.
3.20. Lewis H., Laboratory Planning for Chemistry and Chemical
Engineering, Reinhold, USA, 1962.
3.21. Likhi, S.K., Hydraulics: Laboratory Manual, Reprint, New Age
International Publishers, India, 2009.
3.22. Pashkov N., Dolgachev F., Hidráulica y máquinas hidráulicas, Mir,
Moscú, 1985.
3.23. Pinkava J., Unit Operations in the Laboratory, The Butterworth Group,
Czechoslovakia, 1970.
52
3.24. Reymundo, M., López, M.F., Pérez, E., Prácticas de Química
(Operador de Planta), Primera Edición, Ed. Parainfo, España, 1976.
3.25. Pérez F., Raola O., La Química: Un universo a tu alcance, Ed.
Científico-Técnica, Cuba, 1984.
3.26. Singh S., Experiments in Fluid Mechanics, Third reprint, PHI Learning
Private Limited, India, 2011.
3.27. Spiridonov V., Lopatkin A., Tratamiento Matemático de Datos Fisico-
Químicos, Mir, Moscú, 1973.
3.28. Tinkunova I., Artemenko A., Malevanny V., A Primer of Chemical
Laboratory Practice, Mir, Moscow, 1988.
3.29. Winnacker K., Weingaertner E., Tecnología Química, Gustavo Gili,
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