MANUAL DEL

LABORATORIO DE

OPERACIONES

UNITARIAS II

FACULTAD DE INGENIERIA. PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA.

UNIVERSIDAD DE CARTAGENA.

MANUAL EN PROCESO DE REVISION / EDICION !!!!

Ing. Adriana P. Herrera Barros, PhDIng. Rodrigo R. Ricardo Paredes, MSc

2015

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TABLA DE CONTENIDO

Normas de seguridad en el laboratorio

1. Columna de Destilación

2. Torre de Enfriamiento

3. Manejo de Sólidos

4. Evaporador de Doble Efecto

5. Secador Convencional

6. Bomba de Calor

7. Torre de Paredes Húmedas

8. Secado por Atomización

9. Torre de absorción de gases

10. Intercambio Iónico

11. Humidificación adiabática

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NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO

INTRODUCCIÓN.

Dentro de los parámetros del laboratorio se

encuentran normas para todas las personas que

son responsables de utilizarlo, ya que a la hora de

realizar prácticas es necesario el uso de sustancias

químicas que pueden ser de natura leza acida,

corrosiva, toxicas, inflamables etc., las cuales de una

u otra manera pueden llegar a ser nocivas y

perjudiciales para la salud si se utilizan de manera

incorrecta. Un laboratorio como el de química

orgánica puede llegar a ser muy peligroso si no se tienen en cuenta las normas de

seguridad a seguir, las cuales pueden verse como el conjunto de reglas esenciales

que se deben tener en cuenta al momento de desarrollar un experimento y se pueden

clasificar en dos:

1) Precauciones que siempre hay que seguir

2) Acciones que nunca se deben realizar

OBJETIVO GENERAL.

Informar acerca de los riesgos que se puedan presentar en un laboratorio y de las

normas de trabajo que se deben seguir para evitar situaciones de peligro y proteger al

personal docente, administrativo y a los estudiantes.

CONDICIONES DE SEGURIDAD Y NORMAS A SEGUIR.

Reglas internas del Laboratorio:

Al momento de entrar al laboratorio…

1. Revise la guía de trabajo y la metodología experimental antes de iniciar la sesión.

2. Llegue puntualmente al laboratorio. Es sumamente importante aprovechar el tiempo

disponible para el trabajo en el laboratorio. Si llega tarde, repórtese inmediatamente

con el Profesor responsable.

3. Use zapatos cerrados y con suela antideslizante.

4. Use pantalón largo. Retírese todos los accesorios personales que puedan

comprender riesgos de accidentes mecánicos, químicos o por fuego, como son anillos,

pulseras, y collares. Evite el uso de lentes de contacto; use las gafas de seguridad.

3

5. Use la bata cerrada durante toda la sesión. Los guantes y el respirador deben

usarse para la manipulación de sustancias químicas.

6. Tome notas en su libreta de laboratorio del procedimiento a seguir y la metodología

desarrollada. Esta libreta de laboratorio debe contener la información sobre los

reactivos y los cálculos para preparar las diferentes soluciones que requiera el

experimento.

7. Recoja con prontitud el material y los equipos para el trabajo correspondiente. Se

debe revisar el estado de la mesa de trabajo, del material y de los equipos recibidos.

Reporte cualquier falla o irregularidad al Técnico responsable del laboratorio. El

material se debe lavar y secar antes de ser usado. Consulte con el Profesor y con el

Técnico responsable y revise la existencia de los reactivos a utilizar.

Durante el desarrollo del experimento…

1. Siga las medidas de seguridad necesarias con los equipos, materiales y reactivos a

usar para prevenir accidentes.

2. Pese sólo las cantidades de reactivos requeridos para el trabajo experimental y

colóquelas en material de vidrio limpio y seco. Marque todos los recipientes donde

coloque reactivos, productos y residuos.

3. Mantenga en la mesa de trabajo sólo el material requerido para el desarrollo del

experimento. Los frascos de reactivos deben permanecer en las campanas de

extracción o áreas designadas por el personal administrativo. Los objetos personales,

tales como maletines, bolsos, libros, etc., deben guardarse en los casilleros ubicados

fuera del área de trabajo.

4. No ingiera alimentos ni bebidas en el interior del laboratorio.

5. Evite las distracciones, visitas de personal no autorizado, y las interrupciones

innecesarias. Así puede evitar accidentes.

7. Avise al Profesor de la clase cuando le sea necesario salir del laboratorio por algún

motivo personal. De igual manera repórtese al reingresar.

Al finalizar el trabajo…. 1. Disponga de los residuos y de los reactivos no utilizados de la manera indicada por

las normas. Consulte la Lista de Seguridad del Laboratorio. Los reactivos no usados

no se devuelven a los frascos. Los frascos de reactivos puros deben regresarse al

almacén.

2. Lave el material y devuélvalo limpio y seco. Retire las etiquetas de los materiales

que contenían reactivos, productos o residuos. Realice la entrega en orden y

esperando su turno.

3. Deje limpio y seco el lugar de trabajo.

4

4. Antes de salir del laboratorio retírese la bata y demás equipo de seguridad y

guárdelo en una bolsa de plástico exclusiva para este uso.

Tenga siempre presente que….

Es importante familiarizarse con los procedimientos de

seguridad, y conocer dónde están los extintores, duchas,

salidas de emergencia, etc.

Llevar siempre las gafas protectoras para evitar la salpicadura

de cualquier sustancia química, ya que podrían ocurrir severos

daños a los ojos.

Antes de utilizar un equipo, compruebe que funcione

correctamente. También revise que los recipientes de vidrio no

tengan ninguna fisura antes de agregarle un reactivo químico.

Manejar todos los productos químicos con gran cuidado. Estos

pueden ser tóxicos, corrosivos, inflamables, explosivos, con

posibles propiedades cancerígenas, etc.

El principal peligro en el laboratorio es el fuego. Nunca se debe

encender un mechero antes de comprobar que no hay ningún

líquido inflamable en las proximidades.

En caso de contacto con alguna sustancia química lávese

inmediatamente con abundante agua y avísele al Profesor

encargado del área.

Mantenga siempre su área de trabajo limpia y despejada de

material innecesario.

Recoja inmediatamente cualquier líquido o sólido que se derrame. Para ácidos y

bases conviene neutralizar previamente.

Consultar cualquier duda con el Profesor encargado del área.

Lavarse las manos antes de abandonar el laboratorio.

EQUIPOS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO:

DUCHAS DE SEGURIDAD: Constituyen el sistema de emergencia

más habitual para casos donde pueda ocurrir el riesgo de quemaduras

químicas e incluso si se prende fuego en la ropa. La ducha deberá

proporcionar un caudal de agua suficiente para mojar a la persona

completa e inmediatamente.

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FUENTES LAVAOJOS: Es un sistema que permite la

descontaminación rápida y eficaz de los ojos y que está constituido

básicamente por dos rociadores o boquillas capaces de proporcionar

un chorro de agua potable para lavar los ojos o la cara, una pileta

provista del correspondiente desagüe, de un sistema de fijación al

suelo o a la pared y de una palanca para el encendido la cual puede ser de pie

(pedal) o de codo.

MANTAS IGNÍFUGAS: Las mantas permiten una acción eficaz en el

caso de fuegos pequeños y sobre todo cuando se prende fuego en la

ropa, siendo entonces una alternativa a las duchas de seguridad. La

utilización de la manta puede en ciertos casos evitar el

desplazamiento de la persona en llamas, lo que ayuda a limitar el

efecto y desarrollo de éstas.

EXTINTORES: Son equipos que contienen un agente o sustancia

extintora que puede ser proyectada y dirigida sobre el fuego por

acción de una presión interna. Se clasifican de acuerdo al tipo

particular de fuego y se les etiqueta con la misma letra y símbolo que

al tipo de fuego:

TIPO A - Sustancias combustibles: madera, telas, papel, caucho y plásticos.

TIPO B - Líquidos inflamables: aceite, grasas y diluyentes de pinturas.

TIPO C - Equipos eléctricos conectados a la corriente.

TIPO D - Metales combustibles (magnesio, titanio, sodio, litio, potasio).

CODIGOS DE SEGURIDAD.

El diamante de identificación del National Fire Protection Association (NFPA) de los

Estados Unidos es el sistema de identificación más reconocido a nivel mundial para la

identificación de sustancias químicas. Este diamante consta de cuatro cuadrantes

identificados con números y colores que facilitan el rápido reconocimiento del grado de

riesgo asociado al material. La siguiente figura ilustra este sistema:

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Código NFPA para identificación de riesgos por sustancias químicas.

En adición, para facilitar al usuario la identificación del grado de riesgo asociado a las

sustancias químicas, se ha establecido como obligatorio incluir en las etiquetas de los

reactivos químicos pictogramas que alerten de manera rápida el grado de

peligrosidad del material. Estos pictogramas son etiquetas dibujadas en color negro

sobre un fondo anaranjado. La siguiente figura ilustra este sistema:

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1. COLUMNA DE DESTILACION

OBJETIVO GENERAL Estudiar el funcionamiento básico de una torre de destilación y el

comportamiento de equilibrio de una mezcla binaria etanol/agua.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Identificar los componentes de la columna de destilación.

Determinar el número mínimo de etapas teóricas necesarias para la

destilación del sistema etanol – agua.

Construir la curva de equilibrio de la mezcla binaria etanol-agua.

Calcular los calores latente y sensible de la solución etanol-agua.

Determinar las fracciones molares de etanol en las distintas etapas del proceso.

Trazar la curva concentración de destilado en función del tiempo. Observar mediante gráficos la composición del destilado en función del

tiempo.

INTRODUCCIÓN

La destilación es una operación unitaria muy importante en la ingeniería química y muy aplicada en la mayoría de los procesos industriales, la cual consiste en separar dos o más componentes de una mezcla homogénea, a partir del punto de ebullición, que a su vez tiene en cuenta la diferencia en la volatilidad relativa de los componentes y la presión de saturación de las sustancias. En las industrias se pueden encontrar diferentes tipos de torres de destilación,

dependiendo las condiciones que requiera el proceso y del tipo de mezcla que

se pretenda separar, dentro de las que podemos destacar las torres de

destilación atmosféricas, torres al vació y torres de destilación reactiva que

involucra dos procesos en el mismo equipo, la reacción y separación.

MARCO TEÓRICO

La destilación es la separación de los constituyentes de una mezcla liquida por

medio de la vaporización parcial de la mezcla y la recuperación por separado

del vapor y del residuo. El equipo comúnmente utilizado y que permite realizar

la destilación o separación se le conoce como columna o torre de destilación, y

es un equipo de transferencia de masa, el cual consiste de una torre dividida

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con múltiples secciones, a las cuales se les denomina “platos”, que en su

interior están constituidos por dispositivos diversos que actúan como

distribuidores de líquido y gas, con el objetivo que exista un íntimo contacto

entre las fases. La torre opera con calentamiento en la parte inferior a lo que le

denominamos “fondo” y en la parte superior temperaturas de enfriamiento a la

que se le denomina “cabeza o tope; de lo que se puede esperar que el tope de

la torre esté más fría que el fondo. Dentro de las columnas de destilación el

líquido desciende bajo la acción de la gravedad, mientras que el vapor

asciende debido a la fuerza de una ligera diferencia de presiones de plato en

plato. La presión más elevada se produce por la ebullición en el rehervidor

inferior.

Existen dos métodos para la destilación: El primer método con que se puede

llevar a cabo la destilación se basa en la producción de vapor mediante la

ebullición de la mezcla líquida que se desea separar y la condensación de los

vapores sin permitir que el líquido retorne a la columna del equipo de

destilación (sin reflujo); El segundo método se basa en el retorno de una parte

del condensado a la columna, en condiciones tales que el líquido que retorna

se pone en contacto íntimo con los vapores que ascienden hacia el

condensador (con reflujo). Está operación unitaria presenta desventaja cuando

la mezcla forma azeótropos, es decir, cuando los puntos de ebullición de los

componentes de la mezcla son muy similares y se comportan como si fuesen

uno solo, por lo que resulta imposible seguir separando las sustancias,

entonces hay que recurrir a técnicas, como reducir la presión del sistema o

agregar un solvente para rodar el equilibrio y poder seguir separando, o en su

defecto utilizar otras operaciones como la extracción liquido-liquido.

Algunos tipos de destilación son

Destilación simple:

Puede llevarse a cabo de forma continua o discontinua.

La mezcla se hace hervir y el vapor generado se separa del líquido,

condensándolo tan rápidamente como se genera.

Se describe mejor como una operación de transmisión de calor

exactamente igual que el evaporador.

Destilación por carga:

No se alcanza el estado estacionario.

Aumento de la temperatura en el calderin a medida que avanza el

proceso

9

Destilación por arrastre de vapor:

Caso especial de destilación de mezclas heterogéneas y se aplica a

compuestos insolubles en agua y de puntos de ebullición altos.

Se emplea vapor vivo para provoca el arrastre de la sustancia volátil que se

desea concentrar. Esta sustancia debe ser insoluble en el agua

Usado con bastante frecuencia para separar un componente de alto punto

de ebullición de cantidades pequeñas de impurezas no volátiles.

Se emplea algunas veces en la industria alimenticia para eliminar

contaminantes y sabores de grasas y aceites comestibles.

Destilación súbita o flash:

Evaporación rápida en una sola etapa

Vaporización de una fracción definida del liquido

Condensación del vapor

Se usa para componentes que tienen temperaturas de ebullición muy

diferentes

Destilación fraccionada:

Destilación más utilizada a nivel industrial y se lleva a cabo en una

columna.

Serie de etapas de vaporización instantánea, donde los productos

gaseosos y líquidos de cada etapa fluyen a contracorriente.

Contacto del vapor y el líquido, produciéndose una transferencia de masa

Destilación al vacío:

Se emplea en la separación de líquidos con un punto de ebullición superior

a 150ºC.

Se utiliza cuando el líquido tiene un punto de ebullición excesivamente alto

o descompone a alta temperatura.

Destilación extractiva:

Uso de disolvente que altera las volatilidades de los componentes.

Se separa por la cabeza de la columna un componente y como residuo la

mezcla del otro componente y el disolvente añadido.

Destilación azeotrópica:

10

Agente arrastrador que forma un azeótropo con uno de los componentes

originales.

El azeótropo formado se rompe por diversos procedimientos.

MATERIALES Y EQUIPOS

El equipo está conformado por las

siguientes partes:

1. Hervidor 2. Torre de destilación 3. Condensador 1 4. Condensador 2 5. Tablero de control

Materiales Adicionales:

Recipientes recolectores de muestras. Balde de 12 L. Probeta de 50 mL. Densímetro. Agua destilada. Embudo

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Preparar 5 litros de solución agua – etanol al 25% V/V.

2. Asegurarse que antes de alimentar la solución al hervidor las válvulas de drenaje y muestreo del

equipo se encuentren cerradas.

3. Alimentar la solución preparada de agua – etanol, en el tanque del hervidor ubicado en la parte

inferior de la torre de destilación.

4. Encender el equipo y fijar la temperatura de calentamiento.

5. Es importante controlar la intensidad de calentamiento. Un calentamiento excesivo ocasionará una

operación incorrecta en la columna disminuyendo su eficiencia.

6. Esperar hasta que el etanol alcance tu temperatura de ebullición.

7. Abrir las válvulas de agua de los condensadores una vez se observen las primeras trazas de vapor

dentro de la columna.

8. Ajustar el rotámetro en un flujo intermedio.

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9. Una vez el equipo se encuentre estable se debo tomar muestras en cada plato y en el condensado,

en tiempos establecidos de 15 minutos para posterior análisis. Repetir este procedimiento en 5

oportunidades.

10. Despojar el resto de la solución que queda en el recipiente del rehervidor determinando su

concentración.

11. Apagar el equipo.

RECOLECCIÓN DE DATOS

Muestra )

Plato 1

Plato 2

Plato 3

Plato 4

Plato 5

Destilado

Hervidor

Esta tabla se repite por el número de tiempos determinados en las

recolecciones de las muestras.

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PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

CÁLCULOS

𝒚𝑨 =∝ 𝒙𝑨

𝟏+ ∝ −𝟏 𝒙𝑨

Construcción de la curva

de equilibrio etanol/agua

Cálculo del número de platos teóricos por medio del método de Mc Cabe Thiele

Calcular la fracción molar del etanol en las distintas etapas del proceso y en los diferentes intervalos de tiempo.

𝑵𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 =𝑽/𝑽% 𝒙 𝑽𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂 𝒙 𝝆𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍

𝑴𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍

𝑵𝒂𝒈𝒖𝒂 = 𝟏 − 𝑽/𝑽% 𝒙 𝑽𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂 𝒙 𝝆𝒂𝒈𝒖𝒂

𝑴𝒂𝒈𝒖𝒂

𝒙𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 =𝑵𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍

𝑵𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 + 𝑵𝒂𝒈𝒖𝒂

Cálculo de la

Volatilidad Relativa

∝=𝒑𝑨/𝒙𝑨𝒑𝑩/𝒙𝑩

=𝒚𝑨𝒙𝑩𝒚𝑩𝒙𝑨

=𝑷𝑨𝑷𝑩

𝑳𝒏 𝑷𝒊𝒔𝒂𝒕/𝑲𝑷𝒂 = 𝑨

−𝑩

𝑻 °𝑪 + 𝑪

Cálculo de las

presiones parciales

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2. TORRE DE ENFRIAMIENTO

OBJETIVOS:

Afianzar los conocimientos previos en fundamentos de transferencia de

calor y masa sobre torres de enfriamiento y humidificación.

Estudiar los principios básicos del proceso de enfriamiento del agua

utilizando una torre de enfriamiento de tiro forzado.

Analizar el comportamiento experimental de la torre de enfriamiento

frente al comportamiento teórico.

Calcular la eficiencia térmica de la torre.

INTRODUCCION

En las torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente que proviene de un circuito de refrigeración mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de la torre. A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado denominado “relleno”. El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico. Existen varios tipos de torres de enfriamiento, pero es pertinente el conocimiento previo de torres de tipo forzado debido a que es precisamente en este tipo de torre que desarrollaremos la práctica de laboratorio que estaremos ejecutando a continuación. Las torres de tipo mecánico proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado. Se trata de torres compactas, con una sección transversal y una altura de bombeo pequeñas en comparación con las torres de tiro natural. En estas torres se puede controlar de forma precisa la temperatura del agua de salida, y se pueden lograr valores de acercamiento muy pequeños. Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire, el tiro es forzado, y si se encuentra en la zona de descargue del aire, se habla de tiro inducido. En las torres de tiro forzado el aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre. Estas torres son, casi siempre, de flujo a contracorriente. Son más eficientes que las torres de tiro inducido, puesto que la presión dinámica convertida a estática realiza un trabajo útil. el aire que se mueve es aire frio de mayor densidad que en el caso de tiro inducido, esto significa que el equipo mecánico tendrá una duración mayor que el de tiro inducido, ya que el ventilador trabaja con aire frio y no saturado, menos corrosivo que el aire caliente y saturado de la salida. Como inconveniente debe mencionarse la posibilidad de que exista recirculación del aire de salida hacia la zona de baja presión creada por el ventilador en la entrada de aire.

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Una de las aplicaciones más importantes que poseen las torres de enfriamiento

es el de ser el equipo industrial utilizado para llevar a cabo la operación unitaria

llamada: humidificación y se consigue al poner en contacto el aire seco, a una

temperatura tal que el aire aumente su contenido en humedad. Una de las

herramientas más importantes de esta operación es la carta psicométrica, la

cual es una representación gráfica de las ecuaciones analíticas de esta

operación en especial para las mezclas aire y vapor de agua y por eso en

nuestra practica analizaremos este concepto por medio de cálculos

desarrollados.

FUNDAMENTOS TEORICOS

Las torres de enfriamiento tienen como finalidad enfriar una corriente de agua por vaporización parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y latente de una corriente de aire seco y frío que circula por el mismo aparato. Las torres pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se

TORRE DE ENFRIAMIENTO TIPO FORZADO

CARTA PSICOMÉTRICA

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centra en un equipo de costo inicial bajo y de costo de operación también reducido. Con frecuencia la armazón y el empaque interno son de madera. Es común la impregnación de la manera, bajo presión con fungicidas. Generalmente el entablado de los costados de la torre es de pino, poliéster reforzado con vidrio, o cemento de asbesto. Pueden empacarse con empaques plásticos. El empaque de plástico puede ser polipropileno, moldeado en forma de enrejado o alguna otra forma. El espacio vacío es muy grande, generalmente mayor del 90% con el fin de que la caída de presión del gas sea lo más baja posible. Como consecuencia la superficie de la interface no sólo incluye la superficie de las películas líquidas que humedecen el empaque, sino también la superficie de las gotas que caen como lluvia desde cada fila. Las torres de enfriamiento se clasifican según la forma de suministro de aire en:

Torres de circulación natural

Atmosféricas

Tiro natural

Torres de tiro mecánico

Tiro inducido

Tiro Forzado

Otros tipos: Torres de flujo cruzado

RELLENO DE LA TORRE

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Partes de una torre de enfriamiento Generalmente podemos decir que las torres de enfriamiento están constituidas por las siguientes partes:

Motor eléctrico: Suministra la potencia necesaria al ventilador.

Ventilador: Impulsa el aire a través del relleno en torres de tiro mecánico, compensando la caída de presión del aire a través de la torre. Se fabrica con aspas de aluminio o de resina de poliéster reforzado con fibra de vidrio.

Separador de gotas: El separador de gotas tiene la finalidad de detener las gotas de agua que arrastra la corriente de aire al salir de la torre. Este objetivo se consigue mediante un cambio brusco de la dirección (60 grados es la más efectiva) del aire al salir.

Sistema de distribución de agua a enfriar: Este sistema de tuberías y conducciones tiene la finalidad de repartir uniformemente el flujo de agua por encima del relleno. Existen dos métodos de reparto: por gravedad o por presión.

Balsa: Situada en la parte inferior de la torre, es el depósito de agua fría de la torre.

COMPONENTES DE LA TORRE DE ENFRIAMINETO DE LABORATORIO:

Equipo Mecánico.

Sistema de distribución del agua.

Sistema de distribución del aire.

Relleno.

Contenedor y sistema de Calentamiento de agua.

Base recolectora del agua fría.

PARTES DE UNA TORRE

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MATERIALES:

Los materiales necesarios para ejecutar la prueba de laboratorio de torres de

enfriamiento son:

Agua

Bomba centrifuga de velocidad variable

Termopares

Rotámetro

Controladores de temperatura

Tanque de almacenamiento de agua

Válvulas de control

Torre de enfriamiento

Computadora-Software

Interface de control de la torre

PARTES DE LA TORRE.

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

1. Reconocer los componentes de la torre de enfriamiento, la ubicación de los

sensores, el medidor de flujo, el ventilador y la resistencia.

2. Conectar los equipos electrónicos a utilizar (torre de enfriamiento y la

computadora de control).

3. Encender los equipos electrónicos.

4. Obtener el nivel deseado del recipiente de almacenamiento de agua caliente

de la torre (se recomienda un nivel superior al de la resistencia o interruptor de

nivel para un calentamiento eficiente).

5. Ingresar a la interface, de control del equipo de enfriamiento de agua, en la

computadora.

6. Fijar las variables manipuladas y a controlar, en este laboratorio se aconseja

que sean los caudales de entrada de aire y la temperatura de entrada para el

agua caliente suministrada al equipo, respectivamente.

ROTÁMETRO RESISTENCIA

VENTILADOR

19

7. Al obtener la temperatura del agua deseada, se procede a guardar los datos

obtenidos, por medio de la computadora.

8. Proceder a repetir esta serie de pasos siete veces con el fin de realizar el

respectivo análisis, teniendo en cuenta que la temperatura de calentamiento del

agua debe ser menor en la primera corrida e irla aumentando en cada corrida,

para obtener un funcionamiento correcto del equipo.

TERMOPARES TERMOPAR DE BULBO HÚMEDO

20

21

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULOS:

Nomenclatura utilizada:

T1=Temp. De Calentamiento Del Agua

T2=Temp. De Entrada De Agua

T3=Temp. De Entrada De Bulbo Húmedo Del Aire

T4=Temp. De Bulbo Seco Del Aire

T5=Temp. De Salida De Bulbo Húmedo Del Aire

T6=Temp De Salida De Bulbo Seco Del Aire

T7= Temp De Salida Del Agua

SPD-1= Caudal De Entrada Del Aire

SC-1= Caudal De Entrada Del Agua

NOTA: Las temperaturas y los caudales están en ºC y L/min respectivamente

1. Calculo de la eficiencia de la torre de enfriamiento:

= −

−

Donde: Tsalida agua y T bh aire entrada serán proporcionadas por el equipo.

2. Cálculos de humidificación

Por humificación podemos obtener la cantidad de agua que se evapora.

= −

Debido a que el equipo nos suministra las temperaturas del aire de bulbo

húmedo y seco tanto en la entrada y en la salida de la torre, Podemos

obtener a través de la carta psicométrica los valores de las humedades

absolutas tanto en la entrada como de salida.

3. Porcentaje del calor disipado de la torre en condiciones de operación

con respecto a la de diseño.

Este porcentaje lo podemos obtener mediante la siguiente relación:

% =

22

Donde QD y QP son los calores de diseño y de operación

respectivamente y se pueden calcular de la siguiente forma:

= ( −

)

Donde

: Flujo másico de diseño de agua

Y

= ( −

)

Donde

: Flujo másico de operación de agua

: Temperatura de agua caliente

: Temperatura de agua fría

.

TABLAS PARA DATOS

Corrida no.

Temperatura en °C Valores registrados al inicio Valores registrados al final

AVERAGE

SC1

SPD

23

Carta psicométrica, tomada del libro de operaciones unitarias tomo 1, Ocon & Tojo

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3. MANEJO DE SOLIDOS

OBJETIVOS

Conocer la importancia de cada una de las operaciones unitarias

estudiadas en el manejo de sólidos a nivel industrial.

Identificar las variables necesarias para el análisis y operación de los

equipos de tamizado, transporte neumático, mezcladores en “V”,

molienda: molino de bolas, densidad aparente, ángulo de reposo.

INTRODUCCIÓN

Los sólidos son, en general, más difíciles de tratar que los líquidos, gases,

vapores. En los procesos, los sólidos pueden presentarse de diversas formas:

grandes piezas angulares, anchas láminas continuas o polvos finamente

divididos. Pueden ser duros y abrasivos, resistentes o gomosos, blandos o

frágiles, polvorientos, plásticos o pegajosos. Con independencia de su forma,

es preciso encontrar medios para manipular los sólidos tal como se presentan,

y si es posible mejorar sus características de manipulación.

El comportamiento de los sólidos es similar al de los fluidos cuando se

encuentran secos y no se pegan, por ejemplo pueden fluir a través de un

orificio y ejercen presión sobre las paredes del recipiente en el que esté

contenido. Los sólidos que tienen la capacidad de fluir fácilmente se denominan

no cohesivos, en este grupos encuentran los granos y materiales como arena;

y por el contrario aquellos que presentan una dificultad para fluir a través de

orificios o no pueden hacerlo son los no cohesivos como por ejemplo la arcilla

húmeda.

Algunas de las operaciones que se utilizan para estudiar el comportamiento y

propiedades de los sólidos son Análisis granulométrico por tamizado, Ángulo

de reposo, Densidad aparente, Ciclón y transporte neumático, Molienda,

Mezcla de Sólidos

Análisis granulométrico por tamizado: El tamizado es un método para

separar partículas sólidas de diferente tamaño haciendo pasar la muestra por

una serie de tamices que consta cada uno de un bastidor o malla con aberturas

cuadradas o redonda.

El tamaño de las aberturas es característico para cada tamiz y se denomina luz

de malla, dos conceptos de gran importancia en este análisis son:

a) Cernido: fracción de partículas que atraviesan el tamiz.

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b) Rechazo: fracción retenida en el tamiz.

Una tamizadora consiste en un conjunto de tamices normalizados, acoplados

verticalmente a los que se les transmiten unas vibraciones producidas por un

imán lo que da un movimiento rotatorio a la masa de sólidos a tamizar. Los

tamices son ordenados de arriba abajo por orden decreciente de luz de malla,

en la parte inferior se coloca un bastidor ciego es decir sin malla llamado fondo

en el que se recoge el sólido que no es recogido por el último tamiz. La

alimentación se ingresa por el primer tamiz, se genera entonces un rechazo y

un cernido que pasa al siguiente tamiz de menor luz de malla que el anterior,

constituyendo su alimentación, y así sucesivamente. Al terminar el proceso

cada rechazo se pesa, y la suma total de rechazos teórica debe ser igual a la

masa total que se depositó en la tamizadora.

Ángulo de reposo: El ángulo de reposo es el ángulo de la pendiente natural

de los lados de un material suelto apilado con respecto a un plano horizontal. Al

apilar un medio granular (pensar en un montículo de sal) el ángulo de reposo

que adopta toma valores entre ɵr y ɵm (Ver Figura 1). Por debajo de ɵr la pila de

sal siempre es estable, y por encima de ɵm se desencadenan avalanchas en la

superficie de forma espontánea. Cuando el ángulo que forma la pila se

manifiesta entre ambos, se presenta una biestabilidad, es decir, puede o no

tener lugar una avalancha en la superficie. Finalmente, el ángulo de reposo

depende del tamaño de la partícula, rugosidad de la superficie de la partícula,

esfericidad de la partícula, humedad y homogeneidad de la pila.

Densidad aparente:

Las partículas de una masa de sólidos se agrupan dejando espacios entre sí

debido a que no hay una homogeneidad entre el tamaño de estas, por lo cual

propiedades como la densidad y volumen calculados teniendo en cuenta este

espacio hueco se les denomina aparentes. Para conocer el volumen y

densidad reales, la muestra debe someterse a un proceso de compactación

para eliminar los espacios. A partir de los valores reales y aparentes de una

muestra se calcula la fracción de compactación que es un indicativo de que tan

empaquetadas están las partículas, toma valores de 0 a 1.

𝜃𝑚 𝜃𝑟

Esquema ángulo de reposo.

26

Transporte neumático: Es el desplazamiento de sólidos granulares o polvos

secos debido a un flujo de gas, en donde el aire es utilizado como gas

transportador en la gran mayoría de los casos y su movimiento puede ser

producido por una presión positiva o negativa ejercida sobre el gas. El sistema

de transporte neumático puede consistir en trasladar un material a través de

una tubería hacia un lugar deseado, con el movimiento de aire causado al

aumentar o disminuir la presión a partir de la presión normal o atmosférica. Las

técnicas de transporte neumático pueden clasificarse en tres (3) grupos

principales: Transporte por gravedad con ayuda de aire, donde el ángulo de

rozamiento de sólidos se reduce por influencia del aire que pasa a través de él

mediante una presión o una depresión; Transporte por presión o por aspiración

(Introducción de sólidos en el aire), en el cual el sólido se agrega a una

corriente de aire motivada por medio de una presión o de una aspiración;

Transporte por presión o por aspiración (Introducción de aire en el sólido),

donde el aire de transporte se agrega al sólido y este puede estar a una

presión mayor que la atmosférica, o a la presión atmosférica bajo la influencia

de una aspiración. Los Sistemas de transporte neumático se utilizan

ampliamente en la industria para transportar materiales secos, finos y a granel

porque son extremadamente versátiles, adecuados y económicos para muchos

procesos. Este mecanismo junto con el de flujo másico van complementados

debido a la importancia de cada una de las propiedades del material manejado.

Las características de transporte exponen el comportamiento del flujo másico

de sólido en función del flujo másico de gas y la caída de presión necesaria

para transportar el material a diferentes concentraciones.

Trituración y molienda: Las operaciones unitarias trituración y molienda se

utilizan para la reducción de tamaño de una masa de partículas sólidas, se

aplica para cortar o romper partículas en piezas más pequeñas.

Existen cuatro tipos de fuerzas que pueden intervenir en el proceso de

reducción de tamaño:

a) La compresión se utiliza para reducción gruesa de sólidos bastante duros.

b) El impacto genera productos gruesos, medios y finos.

c) La frotación o rozamiento a partir de sólidos blandos no abrasivos da como

resultado productos bastantes finos.

d) El corte permite obtener un tamaño de partícula definido.

Específicamente, las grandes piedras de un mineral crudo se desintegran hasta un tamaño manejable; los productos químicos sintéticos se muelen hasta polvo y las láminas de plástico se cortan en cubos o rombos; pero en general la reducción de tamaño busca incrementar la eficiencia de operaciones y aumentar la reactividad de los sólidos debido a un incremento en el área superficial.

27

Mezcla de sólidos: es un mecanismo de manejo de solidos muy importante

para la industria primordialmente la industria farmacéutica y puede definirse

como una operación unitaria encaminada a tratar dos o más componentes que

inicialmente se encuentran separados o parcialmente mezclados de forma tal

que cada unidad (partícula, molécula,…) de uno de los componentes

establezca el contacto más próximo posible con una unidad de cada uno de los

demás componentes. Los mezcladores de sólidos en “V” se caracterizan por

la efectividad en su mezcla de 1 a 100.000 partes y su facilidad de limpieza.

MATERIALES Y EQUIPOS

Molino de bolas y bolas de diferentes tamaños.

Tamizadora vibradora y conjunto de 8 tamices (desde 2 mm hasta 0.063

mm).

Mezclador de tambores gemelos o en “V”.

Probeta graduada.

Transportador neumático.

Tolvas cilíndricas.

Bandeja colectora.

Compresor.

Balanza.

Beaker.

Cilindro rotacional.

Posibles materiales (harina, azúcar, arena, tiza, carbón). Cabe aclarar

que en esta guía se desarrolla el procedimiento experimental utilizando

carbón.

28

EQUIPO DE LABORATORIO

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Equipo de manejo de sólidos.

Tamizadora

vibradora y conjunto

de 8 tamices (desde

2 mm hasta 0,063

mm)

Tablero de

control

Molino de

bolas

Ciclón

Transportador

Neumático

Mezclador en V

Compresor

Balanza digital

Cilindro rotacional

29

Análisis granulométrico por tamizado

Pesar 800 gramos de carbón, previamente sometidos a un proceso de

trituración y molienda.

Colocar sobre el tamiz número 1 (de mayor abertura) del sistema de

tamices, la cantidad de carbón pesada.

Accionar el equipo de vibración para agilizar el tiempo de tamizado.

Finalizado el tiempo de vibración (aproximadamente 7 minutos), pesar la

cantidad de material retenida en cada malla.

Ángulo de reposo

Para este experimento se necesitaron simplemente un cilindro rotatorio y una

muestra de carbón. Se desea observar el ángulo de reposo de cada una de las

muestras retenidas por los tamices luego de efectuar el proceso de tamizado,

la lectura del ángulo de reposo se realiza llenando el cilindro rotatorio hasta la

mitad de su capacidad, luego se gira lentamente hasta que se comience a

producir un deslizamiento de las partículas; se toma nota del ángulo que

describa la muestra y se repite el mismo procedimiento pero para el lado

contrario. Finalmente, el ángulo de reposo es una media entre los datos

obtenidos.

Transporte neumático

1. Pesar una cantidad determinada del material escogido.

2. Depositar el sólido en las tolvas de almacenamiento del equipo.

3. Ubicar el recipiente receptor en la descarga del sólido.

4. Colocar el tubo de aspiración en el interior de la tolva donde se encuentra el

sólido almacenado.

5. Encender el compresor que transportará el aire necesario para que el

material pueda moverse desde la tolva hasta el recipiente receptor pasando

por un ciclón.

6. Tomar mediante un cronometro el tiempo que transcurre para el transporte

total de la cantidad de solido desde la tolva hasta el recipiente de descarga.

30

7. Repetir los pasos 4 a 6 variando la presión de aire del compresor.

Densidad aparente

Para determinar la fracción de compactación de una muestra de carbón, es

necesario primero calcular la densidad aparente; para lo cual se utilizar los

siguientes materiales:

1. Balanza electrónica.

2. Muestra de carbón.

3. Probeta de 1000 mL de polipropileno.

4. Tamizadora vibratoria.

Es necesario definir algunas variables:

=

= +

=

=

=

Usando la balanza se pesan 800 gramos de carbón, se vierten en la probeta y

se determina el volumen que ocupan los sólidos sin compactar, se calcula la

densidad aparente de la muestra mediante la siguiente fórmula:

=

Luego, la probeta se coloca en la tamizadora y es sometida a un ciclo de

vibraciones hasta que el volumen no disminuya más debido a que la muestra

se debe compactar, gracias a las vibraciones los espacios huecos serán

ocupados.

El volumen que se observe en la probeta, es el volumen real de la muestra con

el cual se calcula la densidad real, utilizando la siguiente formula:

=

Finalmente, la fracción de compactación de la muestra estudiada puede

calcularse de las siguientes maneras:

=

=

Trituración y molienda

31

Práctica 1: Tomar una masa de sólido con un tamaño homogéneo y

determinar la homogeneidad de la molienda, es decir, si a partir de un

tamaño dado de las partículas (tamizado previo), se tiene uno o varios

tamaños (tamizado final), pudiendo variar además el tiempo de

molienda.

Práctica 2: Tomar una masa de sólido con un tamaño heterogéneo y

determinar la homogeneidad de la molienda.

Una vez decidida la práctica, se carga el molino con la muestra y 3.5 kg de

bolas, el tamaño y la proporción de las bolas puede variar también y ser

estudiado. Antes de encender el molino, el regulador de velocidad se sitúa al

mínimo. Posteriormente se incrementa la velocidad hasta ver que las bolas

caen libremente. El tiempo de molienda puede variar entre 10 y 30 minutos

Mezclador en “V”

1. Tamizar las muestras antes de mezclar.

2. Tamizar las muestras mezcladas.

3. Fracción de las muestras.

4. Porcentaje de error con respecto a las fracciones iniciales

32

CÁLCULOS

Tamizado

1. Realizar el análisis Diferencial y análisis acumulativo de la muestra de

sólido del azúcar, harina o carbón.

Análisis Diferencial

Malla (mm) Peso retenido (g) Fracción Retenida Diámetro medio Dpi (mm)

TOTAL (g) ----- -----

Tabla 1. Análisis Diferencial de tamizado.

Análisis acumulativo

Malla (mm) Peso retenido (g) Fracción acumulativa Fracción que pasa

TOTAL (g) ----- -----

Tabla 2. Análisis Acumulativo de tamizado.

2. Determinar la densidad de los sólidos en estudio.

33

=

3. Determinar el número de partículas en cada una de las muestras

=

∑(

)

m=masa muestra g

= densidad de partícula

Dp= diámetro de partícula

a= factor de forma

𝜙s= coeficiente esfericidad

=Fracción retenida

4. Calcular el área superficial de la muestra de partículas

=

∑(

)

5. Curva granulométrica

6. Hallar el diámetro medio, el coeficiente de uniformidad y el tamaño efectivo

de la muestra de sólidos.

=

=

=

∑(

)

Transporte neumático

1. Determinar la velocidad con la que las partículas se transportan a través de

la tubería.

34

Diámetro a la entrada 0,8 cm

Diámetro salida de finos 0,8 cm

Diámetro del cuerpo del ciclón 2,5 cm

Diámetro salida 0,8cm

Tabla 3. Diámetros del ciclón.

El caudal en la entrada del ciclón está dada por:

=

Calculamos el área tomando la ecuación

=

La velocidad del aire la calculamos tomando la ecuación

=

2. Calcular la caída de presión en el sistema de transporte neumático.

De Bernoulli se obtiene que la caída de presión sea:

=

3. Hallar la velocidad terminal de la partícula en el interior del ciclón.

Se Calcula el número de revoluciones

=

( +

)

Donde

=Número de vueltas eficaces

= altura del conducto de la entrada (cm)

= longitud del cuerpo del ciclón (cm)

= longitud (vertical) del cono del ciclón (cm).

Calculamos la velocidad terminal del ciclón:

35

=

−

Donde

= velocidad terminal (cm/s)

= diámetro de la partícula (cm)

= densidad de la partícula (g/cm3)

= viscosidad del gas (g/cm s) = densidad del gas (cg/m3)

= radio del cuerpo del ciclón (m o pie)

4. Determinar el diámetro mínimo necesario para que la partícula sólida sea

recogida al fondo del ciclón.

=

−

5. Calcular el tiempo de residencia de las partículas en el interior del ciclón.

=

6. La velocidad terminal que apenas permitirá que una partícula sea recogida

en t es

=

Mezcladores en V

1. Datos de tamizado antes del mezclado

Material Tiempo tamizado (min)

Velocidad (rpm)

Apertura del tamiz usado (mm)

Cantidad inicial (g)

Masa retenida (g)

Tabla 4. Datos de tamizado antes del mezclado

2.

Vt

dp

p

36

Tamices Apertura (mm) Corrida N – masa retenida (g)

Corrida N – masa retenida (g)

Corrida N – masa retenida (g)

1

2

3

4

=

% =| − |

37

4. EVAPORADOR DE DOBLE EFECTO

OBJETIVOS

Objetivo General Analizar el funcionamiento de un evaporador de doble efecto para aumentar la concentración de una solución de sacarosa (azúcar común), teniendo en cuenta las condiciones de operación y los parámetros de diseño que intervienen en su construcción. Objetivos Específicos Determinar los coeficientes globales de transferencia de calor para cada

uno de los efectos mediante correlaciones. Determinar el área de transferencia de calor para cada uno de los efectos.

Comparar los resultados de las áreas calculadas teóricamente con las experimentales.

Realizar los balances de materia necesarios para la operación. Identificar los parámetros o las condiciones óptimas para la operación del

equipo.

INTRODUCCIÓN

La evaporación es una operación básica en la cual se concentra una disolución eliminando parte del líquido que pasa a la fase vapor en recipientes o vasijas calentadas con el mismo, en este caso el agua es el disolvente que con más frecuencia se ha de separar. Dentro de las ventajas que presenta el uso de la evaporación se pueden citar las siguientes:

Gran utilización del vapor. La presión se distribuye en los efectos que constituyen el sistema de

evaporación. Los vacíos que se llevan a cabo en cada efecto hace que fluyan los

concentrados de un efecto a otro.

MARCO TEÓRICO

Los diversos tipos de evaporadores utilizados industrialmente pueden clasificar

en evaporadores de operación simple y evaporadores de múltiple efecto; los de

operación simple son aquellos en los que se hace uso de un solo evaporador y

el vapor procedente del líquido en ebullición se condensa y desecha

posteriormente. Por su parte, los de múltiple efecto consisten en una serie de

38

evaporadores dispuestos entre el suministro de vapor vivo y el condensador, es

decir, el vapor de agua original se reutiliza a medida que pasa por los efectos

del equipo aumentando la evaporación por kilogramos de vapor de agua y de

esta forma la concentración del soluto al final del circuito.

Evaporadores de múltiple efecto: En estos evaporadores las conexiones están hechas de tal forma que el vapor

procedente de un efecto sirve de medio de calefacción para el siguiente efecto.

EQUIPOS E INSTRUMENTOS

Especificaciones Técnicas:

Equipo piloto de pequeña escala de tipo laboratorio.

Tanque de alimentación en acero inoxidable con capacidad de 11 litros. Evaporador del primer efecto en acero 430. Evaporador del segundo efecto en acero 430, provisto de chaqueta para

vapor proveniente del primer efecto con espesor de 2 cm. Dos resistencias de 1100W de potencia en la parte inferior del tanque de

alimentación y del evaporador del primer efecto. Condensador de Aluminio en forma de serpentín. Una termocupla. Un termómetro. Indicador universal de procesos N1500, compatible con los principales

termopares, termoresistencias pt100 y señales lineales como a 4-20 mA 7 válvulas de bola (V-1, V-2, V-3, V-4, V-5, V-6, V-7.) Tubería de acero inoxidable, diámetro nominal 1/4 pulgada.

39

DIAGRAMA DE FLUJO

SISTEMA DE CONTROL

40

En el evaporador del primer efecto es controlada la temperatura de la solución mediante la acción del controlador NOVUS N1500 sobre la energía alimentada a la resistencia R2. Toda la configuración del instrumento es hecha a través del teclado teniendo

en cuenta.

OPERACIÓN DEL EQUIPO

1. Preparar la solución de sacarosa, agitando vigorosamente y cuidando de

obtener una solución lo más homogénea posible.

2. Luego de preparada la solución, utilizar un refractómetro para determinar

el % p/p de la alimentación.

41

3. Purgar el sistema de trabajo con agua, eliminando ésta por las válvulas

de drenado adecuadas.

4. Asegurar que todas las siete válvulas estén cerradas.

5. Llenar el tanque de alimentación con 6 Litros de solución

6. Abrir V-1 para hacer pasar 6 Litros de solución desde el tanque de

alimentación hacia el efecto 1. Cerciorarse con anticipación que V-5 y

V-7 estén abiertas, para que pueda fluir la solución. Tiempo de carga al

primer efecto.

7. Volver a verter 12 litros de solución en el tanque de alimentación.

8. Conectar el equipo a la fuente de suministro de energía (110 voltios).

Encender el interruptor general y posteriormente prender las dos

resistencias del sistema simultáneamente. Mantener V-5 y V-7 abiertas

para no acumular presión y se alcance más pronto el punto de ebullición

en el primer efecto.

9. Al iniciar el proceso de calentamiento en la alimentación sellar el

tanque, para evitar que se pierda solución por evaporación. Mientras

tanto, monitorear la temperatura de la alimentación para que no exceda

los 80°C y evitar que la solución alcance su punto de ebullición. Apagar

la resistencia en caso de ser necesario.

10. Colocar un recipiente para la toma o recogida de condensado (producto

del agua evaporada en el primer efecto y que se condensa en la

chaqueta del segundo efecto), una vez alcanzada una temperatura

cercana a los 100,4 °C, se debe garantizar que el vapor liberado sea

condensado (se sugiere burbujear en el recipiente).

11. Una vez se alcance a recoger 500 mL de condensado proveniente de la

chaqueta, se abren V-6 y V-3 para pasar toda la solución del primer al

segundo efecto. Cerciórese que V-4 permanezca cerrada. El proceso de

descarga dura aproximadamente 3 minutos, se recomienda corroborar

constantemente que ha vaciado completamente el primer efecto

abriendo V-2 durante el proceso.

12. Inmediatamente se lleve a cabo el paso anterior, se debe descargar los

6 litros precalentados en el tanque de alimentación abriendo V-1. Tenga

precaución con la salida abundante de vapor caliente a través de V-7

durante este proceso.

42

13. Se cierra V-7 para que la presión en el primer efecto aumente y con ello

el punto de ebullición de la solución, para que el vapor generado pueda

hacer ebullir la solución contenida en el segundo efecto. Sin embargo,

es necesario aliviar la presión cada cierto tiempo (recomendados cada 2

minutos) o cuando aumente demasiado (lo que ocurra primero).

14. Una vez se hayan condensado nuevamente 500 ml provenientes de la

chaqueta, se repite el proceso desde el paso 11 para culminar el ciclo.

Procedimiento Experimental.

1. Preparar 12L de solución de sacarosa para un 10 %p/p.

2. Llenar el tanque de alimentación primeramente con 6 Litros de solución y descargar completamente al segundo efecto, posteriormente verter la cantidad restante de solución a la alimentación y encender el interruptor general y ambas resistencias.

3. Apagar la primera resistencia una vez se alcancen aproximadamente 80°C.

4. Una vez se alcancen 500 mL de vapor condensado proveniente de la chaqueta, tomar la muestra del primer efecto y descargar completamente hasta el efecto 2. (tiempo aproximado: tres minutos) Acto seguido se descargan 6 L de la solución en la alimentación.

5. Cerrar la válvula de salida del vapor de la chaqueta para aumentar la presione en el primer efecto. Recordar despresurizar periódicamente para evitar succión al momento de la descarga.

6. Luego de que se condensen nuevamente 500 mL provenientes de la chaqueta se toma la muestra del segundo efecto.

7. Para finalizar la experiencia, cerciorarse de que las resistencias estén apagadas, esperar un tiempo considerable para que se condensen un poco los vapores calientes contenidos antes de liberarlos, por ultimo descargue el contenido en ambos efectos.

8. Purgar como medida de limpieza para evitar incrustaciones y corrosión.

Procedimiento de Cálculo.

43

Para el 1° efecto se tiene:

Donde es el calor disipado por la resistencia, El coeficiente global de transferencia de calor,

La temperatura superficial de la resistencia, La temperatura de ebullición de la solución.

Para el 2° efecto se tiene:

Donde es la entalpia del flujo de vapor generado en el primer efecto

Para la determinación del coeficiente relacionado con la película de agua

condensada se utiliza la siguiente correlación (Sadasivan y Lienhard)

44

Velocidad del flujo másico a partir de la expresión:

Determina el número de Reynolds, para establecer el flujo con el que se

trabaja:

Ahora con este régimen se aplica la correlación para calcular el coeficiente de

convección:

El número de se expresa como:

Igualando:

Información Requerida

Para el efecto 1

45

Para el efecto 2

46

5. SECADOR CONVENCIONAL

OBJETIVO GENERAL

Reconocer, operar y realizar pruebas en el secador de bandejas.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Reconocer un secador de bandejas y cada una de las partes que lo

componen.

Determinar la perdida de humedad del solido húmedo.

Realizar prácticas y observar la pérdida de peso con respecto al tiempo.

Determinar la curva de velocidad de secado y mirar cómo afecta sobre el

sólido.

INTRODUCCIÓN

El secado de sólidos no es más que la separación de pequeñas cantidades

de agua u otra sustancia en estado líquido de un material sólido con el fin de

reducir el contenido de humedad del sólido y adecuarlo a las condiciones a las

cuales necesitamos el sólido, existen diversos tipos de secadores entre estos

tenemos los secadores indirectos al vacio con anaqueles, secadores continuos

de túnel, secadores rotatorios, secadores por aspersión, secadores de

bandejas, este ultimo consiste en un gabinete lo suficientemente grande para

depositar el material a secar, este ha sido de gran utilidad ya que ayuda a

retirar la humedad de los sólidos; como los granos, anteriormente duraban días

secando estas partículas para que tuvieran las condiciones adecuadas, ahora

es cuestión de minutos dependiendo la eficiencia del equipo.

Este secador permitirá conocer el funcionamiento y comprobar las teorías

descritas para el secado de solido por medio de experimentaciones donde

compararemos los datos arrojados con los descritos en la literatura.

MARCO TEÓRICO

Secado: refiere a la eliminación de humedad en una sustancia. Como

referencia se resumen a continuación ciertos términos que se utilizan para

describir el contenido de humedad de las sustancias.

Humedad de equilibrio: cuando un sólido húmedo se pone en contacto,

durante un tiempo suficiente con el aire q se encuentra a unas condiciones de

humedad y temperatura determinadas y a su vez constantes, se alcanza las

47

condiciones de equilibrio entre el aire y el sólido. Esta se representa por ,

esta es función de la naturaleza del cuerpo, del estado de su superficie, y de la

temperatura.

Cuerpos higroscópicos: cuando la presión de vapor que acompaña al solido

es menor que la tensión de vapor de agua a la misma temperatura.

Cuerpos húmedos: cuando la presión de vapor de agua que acompaña al

solido es igual a tensión de vapor de agua a la misma temperatura.

Humedad libre: es la diferencia entre la humedad del sólido y la humedad de

equilibrio con el aire en las condiciones dadas = − , es decir, humedad

que puede perder el sólido después de un contacto prolongado con el aire a

unas condiciones dadas y constantes

Humedad ligada: también llamada agua ligada, se refiere a la humedad

contenida en una sustancia que ejerce una presión de vapor en el equilibrio

menor que la del líquido puro a la misma temperatura.

Humedad desligada: Hace referencia a la humedad contenida en una

sustancia que ejerce una presión de vapor en el equilibrio igual a la del líquido

puro a la misma temperatura.

Velocidad del secado: perdida de humedad de solido húmedo en unidad de

tiempo, analíticamente se refiere a la unidad de área de superficie de secado.

=

(−

)

48

Siendo:

S: peso de solido seco A: área superficie expuesta W: velocidad de secado Tiempo de secado

Para el periodo antecritico se realiza mediante el resultado de integrar la

ecuación de duración de secado que se halla mediante la ecuaccion descrita

anteriormente, dando como resultado:

=

−

Si es mayor que se sustituye por .

Periodo poscrítico: existen dos métodos por el cual podemos hallar el tiempo.

grafico

Analítico

Método gráfico: se representa X contra

, el valor valor de la integral sera el

area bajo la curva.

Método analítico: si la velocidad de secado varia linealmente con la humedad,

desde la humedad critica hasta la final, la integración de la ecuación de tiempo

de secado conlleva a:

=

−

−

Si no se conoce como varia la velocidad de secado en este periodo se puede

obtener una expresión aproximada.

Grafica tomada del McCabe, Smith, & Harriot.

49

=

−

−

−

DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS

1: Balanza digital

2: puerta

1. Ventilador

2. Medidores de temperatura digitales

3. Ventanilla

4. Control de velocidad

5. Botones de encendido y apagado del equipo

6. Botones de encendido y apagado de resistencias

1

2

1

2

3

4 5

6

50

MATERIAL Y REACTIVOS

1. Cronómetro

2. Termómetros de 100 ºC

3. Balanza digital

4. Anemómetro digital

5. Bandejas o recipientes donde se colocará el material a secar

3. Solido a secar

FUNCIONAMIENTO

1. Conectar el equipo a l toma de electricidad de 110 V.

2. Coloque el material a secar en el equipo.

3. Encienda la balanza y pese su solido

4. Encender el equipo

5. Encender la resistencia (s) que necesitemos.

6. Colocar la velocidad deseada

7. Tomar el peso a determinado tiempos

8. Terminada la operación apagar primero las resistencias y dejar el ventilador

encendido en la máxima velocidad hasta que baje la temperatura del

sistema.

9. Apagar el ventilador

10. Apagar el equipo y desconectar

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Curvas de secado y velocidad

Realizar los pasos explicados en el funcionamiento

el control de velocidad del ventilador debe estar en la posición baja

Velocidad del ventilador

1 2 3

R1 39 °C 37 °C 35 °C

R2 45 °C 43 °C 41 °C

R1 +

R2

68 °C 64 °C 60 °C

51

Esperar un tiempo para que el secadero llegue a las condiciones

requeridas, luego observe las temperaturas de cada zona

Humedecer las muestras con los ml de agua con una cantidad

conocida.

Introducir el material húmedo en las bandejas y tomar la lectura del peso

inicial

Recolectar los datos

Tiempo(min) 0 5 10 15 20

Peso del

material

húmedo

Humedad

Humedad

base seca

Resultados a reportar

Hacer una gráfica X vs t

Hacer una gráfica dX/dt vs X

Identifique los periodos de secado

Determine humedad critica, humedad de equilibrio, humedad libre,

humedad libre entre la crítica y la de equilibrio

Determinar la velocidad de secado para el periodo constante

Influencia de la velocidad del aire en la velocidad de secado cuando la

temperatura es igual en cada periodo.

Realice el procedimiento que esta descrito en el funcionamiento

Escoja una velocidad y una temperatura constante

Resultados a reportar

Realice la tabla

Realice la gráfica X vs t

Realice la gráfica dX/dt vs X

Halle la velocidad de secado para el periodo constante

52

PREGUNTAS

1. ¿Cómo influye el tiempo en la cantidad de agua retirada al solido

húmedo?

2. ¿La velocidad de secado se ve afectada si la velocidad del aire

disminuye o aumenta?

3. ¿En que afecta la humedad del aire que entra al proceso de secado?

4. ¿Cuál es la eficiencia del secador de bandejas y es conveniente usarlo a

escalas industriales?

53

6. Bomba de calor Reversible

OBJETIVOS OBJETIVO GENRAL Aplicar los conocimientos teóricos en los que se fundamenta el funcionamiento de una bomba de calor reversible aire – aire a escala piloto en el laboratorio. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar cálculos experimentales que determinen la razón de transferencia de calor de una bomba de calor reversible aire - aire con su entorno o recinto cerrado.

Reconocer cada una de las partes que conforman el equipo de bomba de calor y su respectiva función en los procesos termodinámicos involucrados.

Comprender la importancia del equipo de bomba de calor en el desempeño de los sistemas de refrigeración y calefacción usados en la industria y sus posibles aplicaciones a otros campos de la ingeniería.

Determinar la eficiencia ideal de una bomba de calor reversible aire - aire. Aplicar conocimientos relacionados a convección forzada y natural para interpretar la

interacción de la bomba de calor reversible aire - aire con el entorno en el cual se desempeña.

Calcular los coeficientes de transferencia de calor externos.

INTRODUCCIÓN Una bomba de calor es una máquina térmica que permite transferir energía en forma de calor de un ambiente a otro. Para lograrlo se requiere un aporte de trabajo al sistema, lo cual está acorde a la segunda ley de la termodinámica, según la cual el calor se dirige de manera espontánea de un foco caliente a otro frío, y no de manera inversa, hasta que sus temperaturas se igualen o alcancen valores muy cercanos al equilibrio térmico. La bomba de calor está formada por un circuito frigorífico clásico (compresor, condensador, sistema de expansión y evaporador) del que se aprovecha la energía calorífica cedida por el condensador (aire caliente o agua caliente que sale del condensador) y no la que se absorbe en el evaporador (fuente fría) del aire ambiente o del agua de un pozo o de un río. El principio de funcionamiento lo podemos observar en la siguiente figura.

54

Fuente: Rey Martínez, Francisco Javier y Gómez Velazco, Eloy.

Bombas de calor y energías renovables en edificios. Editorial Thomson.

MARCO TEORICO La bomba de calor es un sistema reversible que puede suministrar calor o frío cuya temperatura es inferior o superior a la del local a calentar o refrigerar, utilizando para ello una cantidad de trabajo comparativamente pequeña. En las máquinas frigoríficas; en donde está el motor térmico, el fluido

termodinámico obtiene calor del foco caliente, realiza trabajo mecánico y cede

calor al foco frío. En la máquina frigorífica, la transferencia de energía térmica

se realiza en el sentido contrario al que se produce de forma espontánea en la

naturaleza y, según el segundo principio de la Termodinámica, esto sólo puede

realizarse consumiendo trabajo. Por tanto, el diagrama energético funcional de

una máquina frigorífica es el que muestra la figura

Diagrama energético de una máquina frigorífica

Fuente: Bloque Temático II. Principios De Máquinas; Máquina frigorífica y bomba de calor.

Donde representa la energía térmica absorbida por el fluido desde el foco

frío que se encuentra a una temperatura . Representa el calor cedido por

el fluido al foco caliente, cuya temperatura es y es el trabajo que se debe aportar al fluido para conseguir que la transferencia térmica se realice desde el foco frío hacia el foco caliente.

= +

1. Compresor

2. Evaporador

3. Válvula de expansión

4. Condensador

5. Válvula de cuatro vías

55

El proceso de transferencia de energía calorífica que se realiza en la bomba de calor se consigue por medio de un sistema de refrigeración por compresión de gases refrigerantes, cuya particularidad radica en una válvula inversora de ciclo que forma parte del sistema, la cual puede invertir el sentido del flujo de refrigeración, transformando el condensador en evaporador y viceversa. Pueden emplearse para refrigerar un recinto o bien para calentar otro. Esto es lo que hace el frigorífico: enfría su interior y calienta el exterior, y es lo que hace el aire acondicionado: enfría el interior de la vivienda y calienta el aire de la calle.

Esquema de distribución para un aire acondicionado convencional

Fuente: Bloque Temático II. Principios De Máquinas; Máquina frigorífica y bomba de calor.

De esta manera podremos tener dos tipos de configuraciones posibles sin la necesidad de invertir físicamente la disposición del equipo, para ello es necesario disponer de un único camino para el fluido, pero con la posibilidad de hacerlo circular en un sentido o, en el contrario, de forma que se pueda lograr un funcionamiento, o el contrario. El dispositivo que permite esta inversión de giro es una válvula de cuatro vías, dos de entrada y dos de salida, y dos posiciones. La siguiente figura muestra el funcionamiento de la válvula en sus dos posiciones:

Función de la válvula de cuatro vías

Fuente: Bloque Temático II. Principios De Máquinas; Máquina frigorífica y bomba de calor.

Maquina frigorífica ideal: Cuando no existen perdidas de calor y los procesos termodinámicos se realizan de manera ideal se puede hablar entonces de un maquina frigorífica ideal. En estas máquinas el fluido termodinámico realizaría el Ciclo de Carnot en sentido inverso, es decir, en sentido anti horario, como se muestra en la siguiente figura

56

Ciclo de Carnot para un maquina frigorífica ideal

Fuente: Bloque Temático II. Principios De Máquinas; Máquina frigorífica y bomba de calor.

Según este ciclo, el fluido realiza dos transformaciones isotérmicas y otras dos adiabáticas:

Transformación 1-2: compresión adiabática: se produce una disminución de volumen a expensas de un consumo de trabajo exterior provocando un aumento de temperatura desde la temperatura inferior a la

temperatura superior . Esta transformación se realiza sin intercambio de calor con el exterior, adiabáticamente.

Transformación 2-3: compresión isoterma: el fluido cede calor al foco caliente a temperatura constante, lo que equivale a un trabajo negativo con disminución de volumen

Transformación 3-4: expansión adiabática: el fluido disminuye su temperatura desde hasta , sin intercambio de calor con el exterior,

por lo que realiza un cierto trabajo con aumento de volumen. Idealmente este trabajo se podría utilizar para realizar la transformación 1-2, en la que se necesita consumir trabajo.

Transformación 4-1: expansión isotérmica: se completa el ciclo con una transformación a temperatura constante y con aumento de volumen. Esto requiere la realización de un trabajo positivo a partir del calor absorbido del exterior, el foco frío.

Maquina frigorífica real: Utiliza un fluido (refrigerante) para realizar un ciclo termodinámico que se basa en la evaporación y licuefacción de este fluido. Las expresiones para el cálculo del desempeño para esta máquina son las mismas que para la maquina frigorífica ideal, sin embargo los valores obtenidos deberán variar según sean los valores reales calculados o medidos para el calor cedido y el ganado en el condensador y el evaporador respectivamente. Los componentes de la instalación de una maquina frigorífica son los siguientes:

Compresor: Toma el fluido refrigerante en estado vapor y a baja presión para elevar su presión hasta que su temperatura de saturación sea superior a la temperatura ambiente que existe en el exterior de la máquina, de forma que sea posible el cambio de estado del fluido de vapor a líquido con cesión de calor. El compresor funciona accionado por un motor térmico o eléctrico.

Condensador: Se trata de un conducto en forma de serpentín para conseguir una gran superficie de contacto que facilite el rápido intercambio de calor entre el fluido del interior y el medio exterior. Este conducto se va

57

llenando del vapor que proviene del compresor y va aumentando su presión hasta alcanzar la presión de vapor, momento en que se licua, cediendo calor al exterior. En un frigorífico convencional es la rejilla situada

en la parte trasera del frigorífico ( ).

Válvula de expansión: Es el dispositivo que se utiliza para regular la entrada en el evaporador del fluido refrigerante en estado líquido procedente del condensador. Mediante esta válvula se consigue que el evaporador se alimente de una forma continua. Así, se dispone en el evaporador del refrigerante necesario para conseguir que se mantenga la presión de vapor que se necesita, según la temperatura deseada, para que se produzca el paso de líquido a vapor con la correspondiente absorción de calor.

Evaporador: Es un intercambiador de calor similar al condensador. En este caso, el evaporador va recibiendo fluido en estado líquido a baja presión, procedente de la válvula de expansión. Las propiedades termodinámicas del fluido refrigerante.

Esquema de funcionamiento de una maquina frigorífica real

Fuente: Bloque Temático II. Principios De Máquinas; Máquina frigorífica y bomba de calor.

Eficiencia de la bomba de calor: La eficiencia de estos equipos cuando actúan como calefacción se mide según su COP (coefficient of performance) que representa la razón entre la cantidad de calor generado y la energía consumida del equipo:

=

−

Calor intercambiado en el evaporador

Calor expulsado en el condensador Tipos de bombas de calor: los principales tipos de bomba de calor son [4]:

- Aire-aire: recuperan el calor o frío del aire para cederlo al interior del edificio a través de una red de conductos. Es la aplicación habitual de las bombas de calor, y se destinan a calefacción y refrigeración de viviendas.

- Aire- agua: extraen el calor del aire exterior y lo transfieren al interior a través de un circuito de agua a baja temperatura.

- Agua-agua: recuperan el calor superficial del agua de ríos, lagos, etc. Y también de aguas subterráneas.

58

- Agua- aire: recuperan calor de la masa de agua superficial o subterránea.

- Tierra-agua: recuperan el calor solar acumulado en el terreno como fuente de calor, lo que se consigue por medio de un circuito de agua con glicol enterrado.

MATERIALES Y EQUIPOS

Bomba de calor reversible.

1. Intercambiadores de calor. 2. Filtro secador 3. Tanque almacenador 4. Compresor 5. Capilar. 6. Manómetro de baja presión. 7. Manómetro de alta presión. 8. Tablero de control.

1

4

3

5

2

6

7

8

59

DIAGRAMA DEL SISTEMA

4

V6 V5

V3 V4

V1 V2

Condensador, evaporador

Filtro secador

Tanque almacenador

Compresor

Válvula de paso

Válvula de expansión

CICLOS ABIERTO CERRADO

1 V1 V2 V3 V4 V5 V6

2 V4 V5 V6 V1 V2 V3

2

3

1

60

Propiedades del gas refrigerante empleado en el sistema:

Nombre 1, 1, 1, 2- Tetrafluoroetano (R-134a) Peso molecular 102 g/mol Punto de ebullición -26.1°C Punto de congelación -103°C Temperatura critica 101.1°C Presión critica 40.67 bar (absoluto) Densidad critica 508 kg/m3

Diagrama Entalpia-Presión refrigerante 134ª (tomado de perry’s pag. 2-293, fig. 2-27)

61

TABLA PRESIÓN DE SATURACIÓN REFRIGERANTE R134a Temperatura Presión

K °C °F °R kPa Psi mm Hg Atm Torr

243,15 -30,00 -22,00 437,67 84,38 12,24 632,89 0,83 632,89

244,15 -29,00 -20,20 439,47 88,46 12,83 663,53 0,87 663,53

245,15 -28,00 -18,40 441,27 92,70 13,45 695,33 0,91 695,33

246,15 -27,00 -16,60 443,07 97,10 14,08 728,34 0,96 728,34

247,15 -26,00 -14,80 444,87 101,67 14,75 762,59 1,00 762,59

248,15 -25,00 -13,00 446,67 106,40 15,43 798,07 1,05 798,07

249,15 -24,00 -11,20 448,47 111,30 16,14 834,82 1,10 834,82

250,15 -23,00 -9,40 450,27 116,39 16,88 873,00 1,15 873,00

251,15 -22,00 -7,60 452,07 121,65 17,64 912,45 1,20 912,45

252,15 -21,00 -5,80 453,87 127,10 18,43 953,33 1,25 953,33

253,15 -20,00 -4,00 455,67 132,73 19,25 995,56 1,31 995,56

254,15 -19,00 -2,20 457,47 138,57 20,10 1039,36 1,37 1039,36

255,15 -18,00 -0,40 459,27 144,60 20,97 1084,59 1,43 1084,59

256,15 -17,00 1,40 461,07 150,84 21,88 1131,40 1,49 1131,39

257,15 -16,00 3,20 462,87 157,28 22,81 1179,70 1,55 1179,70

258,15 -15,00 5,00 464,67 163,94 23,78 1229,65 1,62 1229,65

259,15 -14,00 6,80 466,47 170,82 24,78 1281,26 1,69 1281,26

260,15 -13,00 8,60 468,27 177,92 25,81 1334,51 1,76 1334,51

261,15 -12,00 10,40 470,07 185,24 26,87 1389,42 1,83 1389,41

262,15 -11,00 12,20 471,87 192,80 27,96 1446,12 1,90 1446,12

263,15 -10,00 14,00 473,67 200,60 29,09 1504,63 1,98 1504,62

264,15 -9,00 15,80 475,47 208,64 30,26 1564,93 2,06 1564,93

265,15 -8,00 17,60 477,27 216,93 31,46 1627,11 2,14 1627,11

266,15 -7,00 19,40 479,07 225,48 32,70 1691,24 2,23 1691,24

267,15 -6,00 21,20 480,87 234,28 33,98 1757,25 2,31 1757,24

268,15 -5,00 23,00 482,67 243,34 35,29 1825,21 2,40 1825,20

269,15 -4,00 24,80 484,47 252,68 36,65 1895,26 2,49 1895,26

270,15 -3,00 26,60 486,27 262,28 38,04 1967,27 2,59 1967,26

271,15 -2,00 28,40 488,07 272,17 39,47 2041,45 2,69 2041,44

272,15 -1,00 30,20 489,87 282,34 40,95 2117,73 2,79 2117,72

273,15 0,00 32,00 491,67 292,80 42,47 2196,19 2,89 2196,18

274,15 1,00 33,80 493,47 303,56 44,03 2276,89 3,00 2276,89

275,15 2,00 35,60 495,27 314,62 45,63 2359,85 3,11 2359,84

276,15 3,00 37,40 497,07 325,98 47,28 2445,06 3,22 2445,05

277,15 4,00 39,20 498,87 337,66 48,97 2532,67 3,33 2532,66

278,15 5,00 41,00 500,67 349,66 50,71 2622,67 3,45 2622,67

279,15 6,00 42,80 502,47 361,98 52,50 2715,08 3,57 2715,07

280,15 7,00 44,60 504,27 374,63 54,34 2809,96 3,70 2809,96

281,15 8,00 46,40 506,07 387,61 56,22 2907,32 3,83 2907,31

282,15 9,00 48,20 507,87 400,94 58,15 3007,31 3,96 3007,30

283,15 10,00 50,00 509,67 414,61 60,13 3109,84 4,09 3109,83

284,15 11,00 51,80 511,47 428,63 62,17 3215,00 4,23 3214,99

285,15 12,00 53,60 513,27 443,01 64,25 3322,86 4,37 3322,85

286,15 13,00 55,40 515,07 457,76 66,39 3433,49 4,52 3433,48

62

287,15 14,00 57,20 516,87 472,88 68,59 3546,90 4,67 3546,89

288,15 15,00 59,00 518,67 488,37 70,83 3663,09 4,82 3663,08

289,15 16,00 60,80 520,47 504,25 73,14 3782,20 4,98 3782,19

290,15 17,00 62,60 522,27 520,52 75,50 3904,23 5,14 3904,22

291,15 18,00 64,40 524,07 537,18 77,91 4029,19 5,30 4029,18

292,15 19,00 66,20 525,87 554,24 80,39 4157,15 5,47 4157,14

293,15 20,00 68,00 527,67 571,71 82,92 4288,19 5,64 4288,18

294,15 21,00 69,80 529,47 589,59 85,51 4422,30 5,82 4422,29

295,15 22,00 71,60 531,27 607,89 88,17 4559,56 6,00 4559,55

296,15 23,00 73,40 533,07 626,62 90,88 4700,05 6,18 4700,04

297,15 24,00 75,20 534,87 645,78 93,66 4843,76 6,37 4843,75

298,15 25,00 77,00 536,67 665,38 96,51 4990,77 6,57 4990,76

299,15 26,00 78,80 538,47 685,43 99,41 5141,16 6,76 5141,15

300,15 27,00 80,60 540,27 705,92 102,39 5294,85 6,97 5294,84

301,15 28,00 82,40 542,07 726,88 105,43 5452,06 7,17 5452,05

302,15 29,00 84,20 543,87 748,30 108,53 5612,73 7,39 5612,71

303,15 30,00 86,00 545,67 770,20 111,71 5776,99 7,60 5776,98

304,15 31,00 87,80 547,47 792,57 114,95 5944,78 7,82 5944,76

305,15 32,00 89,60 549,27 815,43 118,27 6116,24 8,05 6116,23

306,15 33,00 91,40 551,07 838,78 121,65 6291,38 8,28 6291,37

307,15 34,00 93,20 552,87 862,63 125,11 6470,27 8,51 6470,26

308,15 35,00 95,00 554,67 886,98 128,65 6652,92 8,75 6652,90

309,15 36,00 96,80 556,47 911,85 132,25 6839,46 9,00 6839,44

310,15 37,00 98,60 558,27 937,24 135,94 7029,90 9,25 7029,88

311,15 38,00 100,40 560,07 963,15 139,69 7224,24 9,51 7224,22

312,15 39,00 102,20 561,87 989,60 143,53 7422,63 9,77 7422,61

313,15 40,00 104,00 563,67 1016,60 147,45 7625,15 10,03 7625,13

314,15 41,00 105,80 565,47 1044,10 151,43 7831,42 10,30 7831,39

315,15 42,00 107,60 567,27 1072,20 155,51 8042,18 10,58 8042,16

316,15 43,00 109,40 569,07 1100,90 159,67 8257,45 10,87 8257,43

317,15 44,00 111,20 570,87 1130,10 163,91 8476,47 11,15 8476,45

318,15 45,00 113,00 572,67 1159,90 168,23 8699,99 11,45 8699,97

319,15 46,00 114,80 574,47 1190,30 172,64 8928,01 11,75 8927,98

320,15 47,00 116,60 576,27 1221,30 177,13 9160,53 12,05 9160,50

321,15 48,00 118,40 578,07 1252,90 181,72 9397,55 12,37 9397,52

322,15 49,00 120,20 579,87 1285,10 186,39 9639,07 12,68 9639,04

323,15 50,00 122,00 581,67 1317,90 191,15 9885,09 13,01 9885,06

324,15 51,00 123,80 583,47 1351,30 195,99 10135,61 13,34 10135,58

325,15 52,00 125,60 585,27 1385,40 200,94 10391,38 13,67 10391,35

326,15 53,00 127,40 587,07 1420,10 205,97 10651,66 14,02 10651,63

327,15 54,00 129,20 588,87 1455,50 211,10 10917,18 14,36 10917,15

328,15 55,00 131,00 590,67 1491,50 216,32 11187,20 14,72 11187,17

329,15 56,00 132,80 592,47 1528,20 221,65 11462,47 15,08 11462,44

330,15 57,00 134,60 594,27 1565,60 227,07 11743,00 15,45 11742,97

331,15 58,00 136,40 596,07 1603,60 232,58 12028,02 15,83 12027,99

332,15 59,00 138,20 597,87 1642,30 238,20 12318,30 16,21 12318,26

333,15 60,00 140,00 599,67 1681,80 243,92 12614,57 16,60 12614,54

63

334,15 61,00 141,80 601,47 1721,90 249,74 12915,35 16,99 12915,31

335,15 62,00 143,60 603,27 1762,80 255,67 13222,12 17,40 13222,09

336,15 63,00 145,40 605,07 1804,40 261,71 13534,15 17,81 13534,11

337,15 64,00 147,20 606,87 1846,70 267,84 13851,43 18,23 13851,39

338,15 65,00 149,00 608,67 1889,80 274,09 14174,70 18,65 14174,67

339,15 66,00 150,80 610,47 1933,70 280,46 14503,98 19,08 14503,94

340,15 67,00 152,60 612,27 1978,30 286,93 14838,51 19,52 14838,47

341,15 68,00 154,40 614,07 2023,70 293,51 15179,04 19,97 15179,00

342,15 69,00 156,20 615,87 2069,80 300,20 15524,82 20,43 15524,78

343,15 70,00 158,00 617,67 2116,80 307,02 15877,35 20,89 15877,31

344,15 71,00 159,80 619,47 2164,60 313,95 16235,88 21,36 16235,84

345,15 72,00 161,60 621,27 2213,20 321,00 16600,41 21,84 16600,37

346,15 73,00 163,40 623,07 2262,70 328,18 16971,69 22,33 16971,65

347,15 74,00 165,20 624,87 2313,00 335,47 17348,97 22,83 17348,93

348,15 75,00 167,00 626,67 2364,10 342,88 17732,26 23,33 17732,21

349,15 76,00 168,80 628,47 2416,10 350,43 18122,29 23,85 18122,24

350,15 77,00 170,60 630,27 2469,00 358,10 18519,07 24,37 18519,02

351,15 78,00 172,40 632,07 2522,80 365,90 18922,61 24,90 18922,56

352,15 79,00 174,20 633,87 2577,60 373,85 19333,64 25,44 19333,59

353,15 80,00 176,00 635,67 2633,20 381,91 19750,68 25,99 19750,62

354,15 81,00 177,80 637,47 2689,80 390,12 20175,21 26,55 20175,16

355,15 82,00 179,60 639,27 2747,30 398,46 20606,50 27,11 20606,44

356,15 83,00 181,40 641,07 2805,80 406,95 21045,29 27,69 21045,23

357,15 84,00 183,20 642,87 2865,30 415,58 21491,58 28,28 21491,52

358,15 85,00 185,00 644,67 2925,80 424,35 21945,37 28,88 21945,30

359,15 86,00 186,80 646,47 2987,40 433,29 22407,40 29,48 22407,34

360,15 87,00 188,60 648,27 3049,90 442,35 22876,19 30,10 22876,13

361,15 88,00 190,40 650,07 3113,60 451,59 23353,99 30,73 23353,92

362,15 89,00 192,20 651,87 3178,30 460,97 23839,28 31,37 23839,21

363,15 90,00 194,00 653,67 3244,20 470,53 24333,57 32,02 24333,50

364,15 91,00 195,80 655,47 3311,20 480,25 24836,11 32,68 24836,04

365,15 92,00 197,60 657,27 3379,30 490,13 25346,90 33,35 25346,83

366,15 93,00 199,40 659,07 3448,70 500,19 25867,45 34,04 25867,38

367,15 94,00 201,20 660,87 3519,30 510,43 26396,99 34,73 26396,92

368,15 95,00 203,00 662,67 3591,20 520,86 26936,29 35,44 26936,22

369,15 96,00 204,80 664,47 3664,50 531,49 27486,09 36,17 27486,01

370,15 97,00 206,60 666,27 3739,10 542,31 28045,63 36,90 28045,56

371,15 98,00 208,40 668,07 3815,20 553,35 28616,43 37,65 28616,35

372,15 99,00 210,20 669,87 3892,90 564,62 29199,23 38,42 29199,15

373,15 100,00 212,00 671,67 3972,40 576,15 29795,53 39,20 29795,45

64

PROCEDIMIENTO

Primer Ciclo:

1. Ubique correctamente la posición de las válvulas (1,2,3 abiertas, 4,5,6 cerradas) tal como se indica en el diagrama del sistema, para realizarlo. Verifiquen que estén correctas cada una de ellas.

2. Verifique que el indicador de energizado del tablero de control este

encendido, Encienda la unidad de compresión mediante el interruptor del tablero de control, para hacer circular el refrigerante y poner en marcha el ciclo termodinámico.

3. Luego de aproximadamente unos 5 minutos, encienda los ventiladores

ubicados en cada intercambiador de calor por independiente para apreciar y sentir el efecto de transferencia de calor en cada foco (caliente y frío).

4. Espere hasta que se estabilice (este en equilibrio) la máquina, que será

al momento en que las presiones registradas en los manómetros de alta y baja presión presenten fluctuaciones imperceptibles.

5. Con el medidor láser de temperatura, mida las temperaturas superficiales de cada intercambiador (condensador y evaporador), y registre los datos obtenidos.

Segundo Ciclo:

1. Apague todos los interruptores del tablero de control (unidad de compresión y ventiladores).

2. Esperar hasta que las presiones en ambos manómetros sean muy similares y presenten cambios imperceptibles.

3. Ubique correctamente la posición de las válvulas (4,5,6 abiertas, 1,2,3 cerradas) tal como se indica en el diagrama del sistema, para realizarlo. Verifiquen que estén correctas cada una de ellas.

4. Palpe la unidad de compresión si aún está muy caliente, deje reposar durante unos minutos ya que si está muy caliente esta no encenderá.

5. Encienda la unidad de compresión mediante el interruptor del tablero de control, poniendo cuidado a los indicadores de presión (manómetros), si estos indicadores no se mueven al encender la unidad de compresión, apáguela, déjela reposar por unos minutos y vuelva a repetir este procedimiento.

6. Repitas los pasos 3,4 y 5 del primer ciclo.

CALCULOS EXPERIMENTALES

65

Para calcular los calores y coeficientes de transferencia de calor por convección externos en cada intercambiador de calor (condensador y evaporador), tome en cuenta las siguientes consideraciones:

El sistema está en equilibrio. Se encuentra trabajando a condiciones normales de presión y

temperatura ambiente (1 atm y 30 ℃) para horas durante el día. Hay transferencia de calor por convección forzada. Las velocidades de flujo de aire en ambos ventiladores es la misma,

respectivamente. En cada intercambiador, el serpentín es un tubo cilíndrico largo.

A continuación se presentan las ecuaciones a emplear para determinar la razón de transferencia de calor por convección forzada tanto en el condensador como en el evaporador:

Temperatura de película del fluido( ):

= +

[=] [℃] {

= = =

Número de Reynolds :

=

{

=

=

⁄

= ⁄

Número de Nusselt i:

=

{

=

[ ⁄ ]

=

=

[ ⁄ ]

Transferencia de calor por convección según la ley de enfriamiento de Newton

( ):

= −

{

=

[ ⁄ ]

= = =

66

HOJA DE DATOS RECOLECTADOS

Propiedades Valor

Temperatura superficial del evaporador

Temperatura superficial del condensador

Temperatura de película

Número de Reynolds

Número de Nusselt

Área superficial del cilindro

Coeficiente de transferencia de calor por convección

Calor transferido por convección

Eficiencia de la bomba

SECCIÓN DE PREGUNTAS:

1) ¿Cómo funciona la bomba de calor reversible? 2) El valor obtenido del COP a qué hace referencia. 3) ¿En qué consiste el ciclo de Carnot? 4) ¿Cómo se puede aplicar la segunda ley de la termodinámica en estos

sistemas?

67

7. TORRE DE PAREDES HÚMEDAS

OBJETIVOS

Objetivo General

Calcular el coeficiente global de transferencia de masa de un sistema aire-agua

en función de la concentración y presiones parciales.

Objetivos Específicos

● Comprender fenomenológicamente los procesos de transferencia de

masa que se llevan a cabo en la torre de pared húmeda.

● Determinar una correlación que prediga el número de sherwood.

● Analizar el comportamiento del coeficiente de transferencia de masa

para varios caudales de aire.

INTRODUCCIÓN

Uno de los enfoques del programa de ingeniería química de la Universidad de

Cartagena, es el de promover el entendimiento práctico e impulsar las

experiencias de laboratorio, de tal forma que se fortalezca la formación del

ingeniero químico en todos los ámbitos. Por lo tanto, es notoria la gran

importancia de experimentar con equipos en el área de transferencia de masa

con el fin de afianzar los conocimientos aprendidos.

Los estudios en el área de transferencia de masa involucran muchos elementos

y parámetros interrelacionados entre sí. Tal es el caso de la determinación de

coeficientes de transferencia de masa, donde se han realizado amplios

estudios en torres de pared húmeda. Gilliland, Sherwood y Woerstz, Chilton y

Colburn entre otros, han presentado trabajos rigurosos en los cuales han

obtenido resultados interesantes que han podido ser correlacionados.

La torre de pared húmeda fue uno de los primeros dispositivos de laboratorio

utilizados para el estudio experimental de los procesos de reacción gas-líquido,

gracias a la ventaja de poder suponer un área interfacial de contacto. En este

dispositivo, una película líquida descendente fluye por la pared del tubo,

68

mientras que el flujo gaseoso puede efectuarse en contracorriente o

equicorriente, teniendo en cuenta las características propias del proceso. El

funcionamiento en contracorriente es el más utilizado por ser considerado el

más óptimo, pero tiene como desventajas provocar turbulencias (que generan

ruptura de la película), arrastres e inundación en la columna. La circulación del

gas en equicorriente se hace aconsejable en el caso específico de las torres de

pared húmeda con reacción en las que aumenta la viscosidad del líquido a

medida que aumenta la conversión.

Utilizando como líquido el agua y como gas el aire, se puede medir la

transferencia de agua desde la fase líquida a la fase gaseosa, una vez

efectuado el paso del vapor de agua al aire.

En base a lo anterior, es posible detallar los requisitos necesarios para alcanzar

los objetivos que se muestran en la siguiente sección.

MARCO TEÓRICO

Fundamentos de Transferencia de Masa

La transferencia de masa es la tendencia de uno o más componentes de una

mezcla a transportarse desde una zona de alta concentración a otra zona

donde la concentración es menor. La diferencia de concentración es la que

constituye la fuerza impulsora (o motriz) de la transferencia de masa.

La velocidad con que se produce la transferencia de masa está vinculada al

mecanismo de transporte de las sustancias entre las fases, entre las cuales

tiene lugar el intercambio de masa. La transferencia dentro de la fase puede

originarse mediante difusión molecular o por medio de la convección y la

difusión molecular simultáneamente.

En un medio inmóvil la sustancia se desplaza solo por difusión molecular.

Cuando el medio es móvil, el transporte se producirá tanto por difusión

molecular, como por el propio medio en la dirección de su movimiento, o por

partículas individuales del mismo que se mueven en diversas direcciones.

El mecanismo de transporte de la fase hacia la interfase mediante la difusión

molecular y turbulenta resulta un proceso complicado, por lo cual existen

dificultades para el análisis teórico y el cálculo del transporte de masa. Con el

objetivo de facilitar la explicación del fenómeno se asumen dos fases,

69

separadas por la interfase, que se moverán a velocidades globales diferentes,

que es aplicable a la transferencia de masa entre líquido y gas, o entre dos

líquidos que no se mezclan (inmiscibles).

Determinación del Coeficiente de Transferencia de Masa

En los cálculos típicos que se realizan en el estudio de la transferencia de

masa se suele definir un parámetro que agrupa todos los efectos convectivos y

de difusión molecular. Este es el coeficiente de transferencia de masa.

Cualquiera que sea el mecanismo de transporte, la transferencia de la masa

depende de la existencia de un distanciamiento al equilibrio, lo cual provoca

que exista una "fuerza impulsora”, que impulsa al equilibrio [2]. (veaseEc. 1)

= /

Para determinar el coeficiente de transferencia de masa, kG, se hace uso de la

ley de Fick en función de la diferencia de presiones parciales en la parte alta y

baja de la torre.

=

−

Donde NA es el flux del componente A (agua), y PA1 y PA2 las presiones

parciales en la entrada (parte alta) y salida (parte baja) de la torre.

Para conocer las presiones parciales correspondientes al agua, se debe tener

en cuenta la relación entre la presión parcial del componente y la fracción molar

de este, suponiendo que la mezcla aire-agua cumple la ley de Raoult.

=

Para conocer la fracción molar de agua presente en la mezcla de aire y agua,

se toma la lectura ofrecida por el termohigrómetro, de temperatura de bulbo

seco y humedad relativa. Luego a través de la carta psicométrica se determina

la humedad absoluta “Y”.

=

+

70

Luego, el flux puede calcularse también teniendo en cuenta la siguiente

relación:

=

−

Donde está en función de la diferencia de humedades absolutas, la

velocidad de flujo másico del aire “G” y el área “A” de transferencia. Donde

conocemos el flujo másico de aire, al regular el flujo volumétrico de aire y se

puede determinar el volumen específico del aire húmedo respecto a la masa de

aire seco (constante):

=

= (

+

)

Para determinar el área de transferencia de masa, se utiliza

una relación geométrica simple, para el área de la superficie

interna de un cilindro, teniendo en cuenta el espesor de la capa

de agua que escurre por las paredes.

= −

Donde el diámetro interno “di” y la altura “h” del tubo se conocen, y se puede

determinar el espesor de la capa de la película de agua:

= (

)

⁄

Siendo “g” la gravedad, y “Qw”, “µw” y “ρw” el caudal, la viscosidad y la densidad

del agua.

Por otro lado, se puede determinar los números de Sherwood, Schmidt y

Reynolds.

Sherwood

=

h δ

di

71

Donde kY es el coeficiente de transferencia de masa en función de la diferencia

de composiciones, di el diámetro interno del tubo, R la constante de los gases,

T la temperatura de operación, Daw la difusividad de agua en aire, P la presión y

M el peso molecular.

El coeficiente de transferencia ky se puede determinar a partir del flux, las

composiciones de agua en la interfase y en el aire a la entrada y salida de la

torre.

=

−

− − − −

Así como la difusividad molecular se puede calcular a través de la siguiente

ecuación:

= *

+ +

Schmidt

=

Reynolds

=

Dependiendo estos de la viscosidad cinemática, cociente entre la viscosidad

dinámica y la densidad. Reynolds depende de la velocidad lineal:

=

Donde AT es el área de corte transversal de la película:

= ( − − )

Número de Sherwood

72

Es un número adimensional utilizado en transferencia de masa. Representa el

cociente entre la transferencia de masa por convección y difusión. Se llama así

en honor a Thomas Kilgore Sherwood. Refleja la facilidad con la cual se

presentan los fenómenos de transferencia de masa a determinadas

condiciones hidrodinámicas del fluido y de la interfase metal-emulsión.

Se define como:

=

Número de Schmidt

Es un número adimensional definido como el cociente entre la difusión de

cantidad de movimiento y la difusión de masa, y se utiliza para caracterizar

flujos en los que hay procesos convectivos de cantidad de movimiento y masa.

Se llama así en honor a Ernst Schmidt.

El número de Schmidt relaciona los grosores de las capas límite de cantidad de

movimiento y de masa. Se define como:

=

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Diagrama del equipo.

Materiales requeridos

● 2 Termómetros.

73

● 1 Cronómetro.

● 1 probeta de 100 mL

Sustancias o corrientes de proceso

● Agua

● Aire comprimido

PROCEDIMIENTO

1. Llene el tanque de almacenamiento con agua

2. Asegúrese que la válvula de purga de la línea de vapor, ubicada en la

parte inferior de la torre, se encuentre completamente abierta.

3. Abra totalmente la válvula de descarga del tanque de almacenamiento.

4. Verifique que la válvula de recirculación al tanque de almacenamiento,

localizado después de la unión T, se encuentre totalmente abierta.

5. Compruebe que la válvula de compuerta para alimentación de agua a la

torre se encuentre mínimamente abierta.

6. Encienda la bomba y luego gradué la válvula de recirculación,

aproximadamente ¼ abierta, hasta garantizar una película laminar de

líquido descendente.

7. Cierre la válvula de la línea de la purga de vapor, cuando la película de

líquido sea claramente visible y no salga flujo de agua por esta purga.

8. Mida el caudal de agua empleado por medio del agua proveniente de la

corriente del reflujo. Para esto, ubique la probeta justo en la zona de

descarga de la recirculación, midiendo con el cronómetro el tiempo que

demora en llenar.

9. Alimente aire comprimido a una presión suficiente para que luego pueda

ser regulada con el rotámetro, teniendo en cuenta que éste trabaja de 5

a 50 FCSH (Pies cúbicos estándar por hora).

10. Escoja un flujo de aire y deje operar la torre durante 5 minutos para que

se estabilice y después mida las temperaturas de entrada y salida del

agua, midiendo con el termómetro en las entradas al tanque de la

división de flujo y de la recirculación respectivamente (en el tanque) y las

temperaturas de bulbo seco y húmedo del aire a la entrada y la

temperatura de bulbo seco y la humedad relativa del aire a la salida.

74

11. Variar el caudal de aire que circula por el rotámetro y hacer las

respectivas lecturas de las condiciones del aire de salida, alrededor de 7

veces.

12. Cierre la válvula de suministro de aire.

13. Abra la válvula de línea de purga de vapor.

14. Apague y desconecte la bomba.

15. Regrese el agua de la línea al tanque de almacenamiento de agua.

16. Cierre la válvula de suministro de agua de la torre.

17. Introducir las variables de entrada y salida en el programa “Modulo

Tutorial”.

18. Verificar manualmente los resultados obtenidos

Nota: Si se lleva a cabo una sola corrida, el programa arroja Flux, KG, KY, Re,

Sc y Sh (Modulo Resultados Generales)

Para la correlación del número de Sherwood en función del número de

Reynolds realice diferentes corridas variando el flujos de aire e ingrese los

datos en el programa “Modulo tutorial” (Modulo Correlación de Sherwood).

VARIABLES DE ENTRADA:

● Temperatura de Bulbo Seco del Aire Entrante.

● Temperatura de Bulbo Húmedo del Aire Entrante.

● Caudal del Aire Entrante.

● Caudal de agua entrante.

● Temperatura de Bulbo Seco del Aire que Sale.

● Humedad Relativa del Aire que Sale.

● Temperatura del Agua que Entra.

● Temperatura del Agua que Sale.

RECOMENDACIONES DE SEGURIDAD

1. Si se observa que existe un aumento del flujo inesperado del agua, se

recomienda abrir la válvula de seguridad con el fin de reducir el caudal y así

evitar la inundación de la torre.

2. La película de agua no se formará por mucho tiempo. Al observarse la

ruptura de ésta, debe cerrarse inmediatamente la válvula de suministro de aire

75

y abrir la válvula de la línea de purga de vapor con el fin de dejar salir el agua

que pueda caer dentro del tubo, evitando que ésta ingrese en el compresor y

rotámetro, y los dañe.

DATOS EXPERIMENTALES

CORRIDAS Flujo

[SCFH]

Entrada Salida

T bulbo

seco [°C]

T bulbo

húmedo

[°C]

T [° C]

Humeda

d relativa

T bulbo

seco [°C]

T [° C]

1

2

3

4

5

6

CUESTIONARIO

1. ¿En cuánto tiempo alcanza la columna una operación estable?

2. ¿Cuál es el área de transferencia?

3. Calcule el flujo de agua evaporada y transferida al aire a través de la

columna en Kg de agua / h.

4. Calcule el flux de transferencia de masa NA

5. ¿Cuál es la fuerza impulsora que favorece la transferencia de masa?

6. A las condiciones de operación establecidas y para caudal de aire, ¿Qué

valor tiene el coeficiente de transferencia de masa kG?

7. ¿Cuál es el valor de espesor de la película interfacial?

76

INFORMACIÓN ADICIONAL:

CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO

El equipo está constituido por tres zonas principales:

1. Zona de calma superior: La zona de calma superior es un cilindro, que recibe el líquido que va a ingresar a la columna. Está diseñada con el objetivo de que éste pierda turbulencia y mediante un sistema de rebose pueda deslizarse por las paredes de la columna formando la película.

Zona de calma superior.

1. Zona de calma inferior La sección de calma inferior consta de un embudo acoplado a un cilindro con un tubo de en su interior por donde ingresa el aire. En esta zona se recoge el líquido que se ha desplazado por la columna. Ésta, a su vez, impide el escape del aire suministrado en la sección libre de tubo. La forma de embudo garantiza que el líquido no descienda por gravedad hacia el tubo del aire, sino que se deslice en la pared interna del cilindro, ya que de lo contrario se desconocería el área de contacto entre las fases, la cual es vital en la determinación del coeficiente de transferencia de masa.

Zona de calma inferior.

1. Zona de contacto líquido/gas

77

Como su nombre lo indica, en esta zona ambos fluidos entran en contacto. El agua y el aire, que son nuestros fluidos de proceso, son alimentados en contracorriente. Mientras el líquido fluye laminarmente por las paredes de la tubería cilíndrica, cayendo desde la parte superior, el aire realiza su recorrido por el centro de la misma.

Zona de contacto, Liquido-Gas.

OTROS EQUIPOS Y ACCESORIOS

Sistema de Bombeo: 1. Compresor 2. Bomba 3. Tanque de almacenamiento 4. Válvula de salida del tanque 5. Válvula de purga de línea de vapor 6. Válvula de compuerta 7. Válvula de descarga 8. Válvula de división de flujo 9. Recirculación de agua al tanque 10. Manguera de desagüe del tanque

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS FUNDAMENTOS DE OPERACIÓN: Un flujo de agua pasa por la columna de pared húmeda en donde se distribuye de manera uniforme sobre la superficie interna. Por medio de un compresor se hace pasar un flujo de aire en operación contracorriente, de modo que el contacto entre las dos fases permita la humidificación del aire, esta humedad contenida puede ser determinada al final de la torre por medio de un termohigrómetro.

78

EQUIPO ESPECIFICACIONES

Torre de paredes mojadas

Servicio: Humidificación de aire. Diámetro interno: 2.5 cm

Longitud: 150 cm Material: Acrílico

Tanque de almacenamiento

Servicio: Almacenamiento de agua. Capacidad 15 L Diámetro: 40 cm Longitud: 60 cm

Material: Polipropileno

Bomba Servicio: Alimentación de agua a la columna

Potencia: 0.5 hp

Compresor

Servicio: alimentación del aire a la columna Potencia: 1.5 hp

Almacenamiento: 6 L Presión máx.: 115 psi

Rotámetro Intervalo: 5 A 50 SCFH

Temperatura Intervalo: -100°C a +200°C

Precisión: ±0,3°C Resolución: 0,1

Tabla. 1. Especificaciones de los equipos.

SERVICIOS REQUERIDOS

1. Alimentación eléctrica 120 volts, 60 Hz, monofásica. 2. Agua potable.

ESPECIFICACIONES DEL PROCESO

Antes de poner en marcha el equipo:

1. verificar que el tanque de almacenamiento contenga la cantidad suficiente de agua, sin que el nivel de la misma supere el orificio de recirculación.

2. Verificar que la válvula de salida del tanque se encuentre abierta, esto es, de manera paralela a la tubería

3. Verifique la apertura de la válvula de división de flujo. 4. Evitar encender el compresor hasta que se forme la película 5. Verificar que la válvula de purga de línea de vapor está abierta.

79

Encendido del equipo:

1. Encender la bomba. 2. Verificar y controlar por medio de la válvula de compuerta la formación

de la película. 3. Verificar que el termohigrómetro se encuentra encendido y en el lugar

que le corresponde, esto es, en la zona de calma superior. 4. Verificar que se encuentren los 2 termómetros, y que uno de ellos sea

capaz de medir la temperatura de bulbo húmedo. 5. Cuando ya se haya formado la película, es necesario cerrar la válvula de

purga de línea de vapor. 6. Encender el compresor con el botón de arranque correspondiente. 7. Ajustar la presión 8. Cuando la carga del compresor llega a la presión de ajuste

automáticamente deja de cargar pues ya está ajustado el presostato, sin embargo aunque pare, el botón de arranque en el gabinete de control quedará encendido. Cuando la carga del compresor baje automáticamente comenzará a cargarse.

Paro del equipo:

1. Es necesario apagar el compresor, en el tablero de control 2. Abrir la válvula de purga de vapor. 3. Desconectar la bomba 4. Cerrar las válvulas de succión, de división de flujo.

Descarga:

1. Verifique que la manguera se encuentra conectada a la salida del tanque y que llega hasta el lugar de desagüe

2. Se debe mantener abierta la válvula de descarga hasta que haya salido toda el agua contenida en el tanque.

LIMPIEZA Y MANTENIMIENTO DE LA TORRE

1. Desenroscar las uniones universales para desligar la torre al tanque y a

la bomba.

2. Colocar la torre en el suelo con mucho cuidado, para luego con ayuda

de una panola limpiar la zona de calma superior.

3. Ubicar nuevamente la torre en su lugar, cuidando que los empaques se

encuentren correctamente colocados, ya que de lo contrario se

presentarán fugas.

LIMPIEZA Y MANTENIMIENTO DEL TANQUE

1. Es recomendable descargar el agua del tanque, cada 3 días o cuando

se requiera.

2. Verificar constantemente que el tanque esté limpio y sin solidos

suspendidos.

80

LIMPIEZA Y MANTENIMIENTO DEL COMPRESOR

1. Luego de 4 horas de uso es recomendable por medio de la válvula de

seguridad retirar el aire retenido en la cámara

2. Incline un poco el compresor para retirar agua que pudo condensarse

dentro del tanque de almacenamiento.

3. Componentes Productos a utilizar Periodo de tiempo

Estructura Trapo húmedo (Agua) Mensual

Bomba Trapo húmedo (Agua) Mensual

Tanque de alimentación Trapo húmedo (Agua) Mensual

Tubería de PVC Externamente Trapo húmedo

(Agua)

Mensual

Acrílico Externamente Trapo húmedo

(Agua)

Mensual

Tabla. 2. Mantenimiento.

81

8. SECADO POR ATOMIZACIÓN

OBJETIVOS GENERALES

Conocer el funcionamiento de un equipo para secado por atomización realizando pruebas experimentales.

OBJETIVOS ESPECÍFICO

Identificar los componentes de un equipo para secado por atomización.

Evaluar el efecto de variables de proceso: como temperatura, flujo de alimentación, sobre el producto final.

Determinar la eficiencia térmica del sistema.

FUNDAMENTO TEORICO

En los procesos del secado por atomización, el material de alimentación que es

líquido o tiene alguna fluidez es esparcido en gotas muy pequeñas dentro de

una gran cámara, en la cual se introduce aire caliente (u otro gas). El líquido es

rápidamente evaporado dejando partículas sólidas que deben ser separadas

del aire.

Este consta de las siguientes partes básicas:

A. Cámara de secado. B. Alguna forma de atomizar el material de alimentación dentro de la

cámara de secado. C. Alguna forma de introducir aire caliente dentro de la cámara de secado. D. Alguna forma de sacar aire de la cámara de secado en algún punto

alejado de la zona de alimentación y de la zona de la entrada de aire caliente.

E. Alguna forma de separar el producto del aire de salida.

En un principio, el alimento fluido es transformado en gotas, que se secan por

atomización en un medio continuo de aire caliente. El modo más común

utilizado en estos tipos de secado es un ciclo abierto, donde el aire de secado

es calentado utilizando un calentador por resistencias eléctricas. En este tipo

de operación el aire que abandona el sistema todavía puede contener calor por

lo que se recomienda utilizar sistemas de recirculación para disminuir los

costos de operación de estos equipos. La figura 1 muestra el esquema usado

en estos equipos.

Otro tipo es la utilización de un circuito cerrado con un medio de calefacción

(aire, CO2, etc.). El aire se utiliza en el proceso de secado, después se limpia,

82

se seca y se reutiliza de nuevo en un proceso continuo. La eficiencia de este

tipo de secado es superior a la de los sistemas abiertos. En los sistemas de

circuito cerrado únicamente sale del sistema el producto seco, mientras que en

los de circuito abierto también se lanza al exterior aire caliente, que en algunos

ocasiones puede contener micro partículas.

Figura 1 Esquema ilustrativo de un secador por aspersión en sistemas abierto.

Este tipo de secado incluye la atomización del alimento en un medio de secado

en el que se elimina la humedad por evaporación. Este secado se controla por

las condiciones de flujo y temperatura, tanto de la alimentación como del aire

de entrada.

TABLA 1. EFECTO DE VARIABLES SOBRE EL PROCESO. FUENTE: BARBOSA-

CÁNOVAS, Y VEGA - MERCADO

Variable Efecto

Capacidad del inyector:

Velocidad de alimentación por debajo de la

diseñada

Atomización incompleta

Velocidad de alimentación bajo mínimos Decrece el tamaño de la partícula

Velocidad alimentación especificada Aumenta tamaño de las gotas

Angulo de rociado grande: Gotas pequeñas

Aumento de presión Decrece el tamaño de las gotas

Viscosidad

83

Aumento Atomización gruesa

Muy alta Operación imposible

Tensión superficial alta Dificulta la atomización

Tamaño de orificio Tamaño de gota=

=

=

Los tipos de secadores, la distancia que recorre una gota hasta que se ve

afectada por completo por el aire depende del tamaño, forma y densidad de la

misma. Los atomizadores ordinarios son más independientes del flujo de aire,

mientras que en los atomizadores finos debe considerarse el flujo de aire. El

movimiento de la atomización se puede clasificar de acuerdo al diseño del

secadero como co-corriente (corriente paralela), contracorriente o flujo mixto o

mezclado (Ver figura 2).

Figura 2. Clasificación de secadores por medio corriente de la atomización

Aplicaciones del “Spray Dryer” o secado por atomización:

El secado por atomización puede ser utilizado para alimentos y/o pro ductos

orgánicos disueltos en agua.

• Alimenticias: cereales y extractos de plantas, productos lácteos en general, cafés, levaduras, hidrolizados de proteínas, subproductos de frigoríficos, huevos, frutas y extractos de frutas.

84

• Farmacéuticas: Antibióticos y derivados, vacunas, vitaminas, fármacos en general.

• Cerámica: Arcillas para aplicaciones diversas y especiales • Química Orgánica: Ácidos, sales orgánicas, compuestos

nitrogenados, plásticos, resinas, catalizadores y colorantes, fertilizantes, pesticidas, insecticidas, detergentes en general, taninos naturales y sintéticos etc.

• Química Inorgánica: Compuestos de aluminio, bario, boro, cromo, azufre, flúor, yodo, magnesio, hidróxido y óxidos en general.

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

MATERIALES Y EQUIPO:

Secador Spray o Cámara de secado. o Ciclón de separación o Atomizador tipo aire: Boquilla de doble fluido. o Blowers o Sistema de soplador de aire: Succión y descarga. o Receptores de producto seco

Leche en polvo.

Termómetros

Balanza electrónica

Agitador mecánico

Hidrómetro

PROCEDIMIENTO

ARRANQUE DE EQUIPO

Antes de comenzar la práctica se debe revisar el manual del equipo el cual

puede ser solicitado al auxiliar de laboratorios así como su asistencia en el

funcionamiento.

Es importante verificar que todos los acoples estén en sus respectivos sitios.

Para el proceso de arranque dejar que la temperatura de entrada de aire

alcance los 100°C luego de esto, agregar agua a través del atomizador.

Se conecta el sistema de alimentación al atomizador, y se comienza a

alimentar agua en pequeñas cantidades, lo cual hará que la temperatura deje

de aumentar gradualmente. Se regula la cantidad de agua alimentada hasta

llegar a la temperatura deseada para el proceso de secado. Para evitar la

formación de incrustaciones, se sugiere usar agua destilada para este proceso

de arranque.

OPERACIÓN DE LA PLANTA

85

Cuando las temperaturas, tanto del aire de entrada como de salida, se han

mantenido constantes en los niveles deseados durante algún tiempo, se retira

el agua destilada del tanque de alimentación. Se llena con el líquido que se

desea secar. Se debe regular nuevamente la cantidad de líquido alimentado

para que la temperatura del aire de salida se mantenga en el valor deseado.

PREPARACIÓN DE LA ALIMENTACIÓN

Tomar 200mL de agua destilada y agregar una cantidad definida de leche en

polvo en un Beaker de 500 mL. Dejar agitando durante 5 a 10 min y luego

agregar en el tanque de almacenamiento de la boquilla de aspersión

ACONDICIONAMIENTO DE AIRE CALIENTE

Se realizará una prueba experimental por cada resistencia. Para cada rata

medir la temperatura de entrada y salida del aire. Con ayuda de un hidrómetro

medir la humedad del aire caliente.

PARADA DE LA PLANTA

Cuando todo el líquido a ser evaporado ha pasado por el circuito de

alimentación, se debe llevar una cantidad de agua destilada hasta el

atomizador para limpiar el tubo de alimentación y atomizador, para evitar que

la planta se recaliente durante su apagado. A continuación, se apagan los

elementos de calefacción, y se reduce el suministro de agua gradualmente

para mantener la temperatura del aire de salida a los niveles que se utilizaron

durante su uso. Cuando la temperatura del aire de alimentación haya caído

hasta unos 110°C, se corta el suministro de agua completamente. Se apaga la

planta llevando apangando el sistema.

ENSAYO EXPERIMENTAL

Agregar toda la leche en la cámara de secado, 5 minutos después de agotarse

la leche, apagar el equipo y tomar el peso de producto seco.

86

IMAGEN 1. EQUIPO DE SECADO POR ATOMIZACIÓN

INFORMACIÓN EXPERIMENTAL SUGERIDA

T1 Temperatura entrada de

aire

160ºC 320 ºF

T2 Temperatura salida de

aire

45ºC 113 ºF

To : Temperatura del ambiente 27ºC 80.6 ºF

Xs : fracción de sólidos en la carga 0.25

Xh : fracción de agua en sólidos de salida 0

CAIRE T1

:

capacidad calorífica del aire a T1 0.2432 BTU/Lb-ºF

CAIRE T2

:

capacidad calorífica del aire a T2 0.2406 BTU/Lb-ºF

CAGUA

T1:

capacidad calorífica del agua a T1 (vapor) 0.4735 BTU/Lb-ºF

CAGUA

T2:

capacidad calorífica del agua a T2 (vapor) 0.5550 BTU/Lb-ºF

l VAP Tr entalpía de vaporización a

Tr

(2442 KJ/Kg) 1050 BTU/Lb

C*AGUA capacidad calorífica del agua (liquida) 1 BTU/Lb-ºF

Cs capacidad calorífica de los sólidos de la

leche

0.85 BTU/Lb-ºF

Tr : temperatura de referencia 20ºC 68 ºF

Trocío : temperatura de rocío 14 ºC 57.2 ºF

r l : densidad de la leche 1.06 gr/cc

87

r a : densidad del agua 1 gr/cc

s : tensión superficial del

agua

(20 ºC) 72.75 dinas/cm

V : volumen tratado 11000 ml

t : tiempo de operación 2529 s

m

agua:

viscosidad del agua 1 cp

W tss Peso total de solido seco 66.5 gr

TRATAMIENTO DE DATOS

1. DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE ENTRADA DE LA LECHE Y DEL SOLIDO

OBTENIDO:

Flujo de entrada de la leche =

Flujo de salida del sólido =

−

2. Cálculo de las eficiencias del proceso Eficiencia Formula

Eficiencia térmica global (Egb) =

−

−

Eficiencia térmica ideal (Eid) =

− −

Eficiencia térmica evaporativa (Eev) =

− −

Eficiencia de secado =

3. FLUJO DE ALIMENTACIÓN Tomar 10 mL de agua destilada y con ayuda de un cronometro medir cuanto

tiempo tarda en vaciarse el recipiente.

=

Realizar el ensayo tanto con agua como con alimento.

88

4. Tiempo de residencia en la cámara de secado Se tiene que el tiempo mínimo de residencia de las gotas en la

cámara de secado está dado por

=

Resultados

Datos obtenidos:

El tiempo de aspersión para 10 mL de muestra fue de 28,57 segundos, por lo

que:

=

= /

Tanda

de

alimento

Peso de

leche en

polvo [g]

Peso de

solución

[g]

Sólidos

remanentes

en recipiente

[g]

Solidos

totales

agregados

al sistema

[g]

Producto

seco [g]

1 81 203,049 1,876 79,124

2 40 100,705 1,783 38,217

3 40 104 2,3 37,7

Total 161 407,754 5,959 155,041 73,525

Nota: A la totalidad de producto seco se agrega la cantidad de producto que se

perdió al vaciar y colocar de nuevo los recipientes de captación.

Temperatura de aire entrando a la cámara de secado: °

Temperatura de aire a la salida del sistema: °

Cálculos:

Se tiene que el tiempo mínimo de residencia de las gotas en la cámara de

secado está dado por

=

89

Donde

: Volumen de la cámara de secado

Caudal de aire

El volumen de la cámara de secado de base cónica y cuerpo cilíndrico se

calcula a través de la siguiente expresión

= +

Donde

D: diámetro de la cámara = 0,6 m

h: altura del cuerpo cilíndrico = 0,9 m

= ( + ) =

Asumiendo que la cámara de calentamiento es completamente adiabática, se

puede calcular el flujo másico del aire por medio de la siguiente ecuación

=

Donde

Calor generado por las resistencias

Capacidad calorífica del aire

: Flujo másico del aire

Diferencial de temperatura

Dado que la cámara de calentamiento consta de 4 resistencias que

proporcionan 1800 W, entonces

= = ⁄

del aire a 1 atm, a la temperatura de salida es de / ℃

Luego el flujo másico será

=

= /

(

) − ℃=

⁄

90

La densidad del aire a 163 ºC es de =

⁄

Luego

=

=

=

(

⁄ )

⁄

=

Cálculo de eficiencias

Eficiencia térmica global

= −

− =

−

− = %

Eficiencia de secado

=

=

=

%

ANÁLISIS DE RESULTADOS

En esta práctica de laboratorio la alimentación se realizó con flujo constante

con el fin de obtener mayor uniformidad en el tamaño de las gotas y así

garantizar que el tiempo de secado de cada gota fuera aproximadamente igual.

Cabe resaltar que antes de acomodar la boquilla en la cámara de secado, se

probó con agua y leche para asegurar que la aspersión diera gotas pequeñas;

ya que entre más pequeña sea la gota, mayor es la superficie de contacto aire-

gota y por ende más fácil es la evaporación aumentando la eficiencia térmica

del equipo.

Teóricamente se tenía que la temperatura de entrada a la cámara de secado

debía oscilar entre 70 y 180 ºC y la temperatura de salida entre 100 ± 5 ºC, en

nuestra práctica la temperatura de entrada y de salida fué 180 ºC y 106 ºC

respectivamente, con lo cual se pudo observar que el equipo alcanzó la

eficiencia térmica requerida.

91

La eficiencia de secado del equipo llegó a 47%, mayor que la reportada

anteriormente en practicas pasadas (30%). Se dio un aumento global del 17%,

comprobando así que la optimización del equipo fue correcta.

Conclusiones:

El proceso de Secado por atomización involucra fenómenos de transferencia de masa y calor. La transferencia de masa ocurre desde las partes periféricas de la gota dispersada hacia el aire caliente. La transferencia de calor ocurre hacia la gota dispersada, ocasionando la evaporación del solvente, en nuestro caso agua.

La humedad relativa del aire luego del calentamiento es muy baja, sin embargo al recibir la humedad de las gotas dispersadas por transferencia de masa su estado relativo de saturación aumenta, aumentando a la vez la temperatura.

El equipo presenta una buena eficiencia térmica, y una eficiencia de

secado.

El tamaño de la gota depende ampliamente del caudal de aire

comprimido y caudal de alimentación por lo que la eficiencia del secado

también depende de estos factores.

OBSERVACIONES

Con respecto a la influencia de las variables de operación

La alimentación al secador se hizo con flujo constante para así obtener mayor eficiencia en el secado de las gotas al tener contacto con el aire.

Con respecto al producto obtenido

• Inicialmente se obtuvo un producto que se caracterizaba por mostrarse

como un polvillo fino, aparentemente seco al tacto. Pero cuando se detuvo la

operación, y se pesó el total de producto recuperado, se procedió a sacar

residuos remanentes de producto que están en el interior del equipo, pero que

no tenían las mismas características del producto que se obtuvo inicialmente,

ya que tenía apariencia pastosa, debido a su elevado contenido de humedad y

grasas.

92

PREGUNTAS

1. ¿Qué efectos e observó en el producto obtenido por el cambio de temperatura a la entrada del sistema?

2. ¿Qué efecto observó al variar el flujo de alimentación manteniendo la temperatura constante?

3. ¿Qué debe realizarse para garantizar que el producto seco es consumible?

4. ¿Qué recomendaciones agregaría para mejorar el diseño del equipo de secado por atomización? De una justificación fenomenológica.

5. Cuáles son las condiciones óptimas del equipo. 6. Que técnica experimental utilizaría para determinar las condiciones

óptimas de proceso. 7. Investigar de qué forma se puede medir el tamaño de partículas de

equipo de atomizador.

ANEXO

Prueba

N°

Tin

Air

e

To

ut

Ai

re

TinAli

mento

Tout

alimen

to

Masa

Solida

Entrada

Masa

Solida

Salida

Masa Húmeda

Aire Entrada

Masa Húmeda

Aire Salida

Flujo

Aliment

o

Hum

edad

Relat

iva

de

Entr

ada

Prueba

N°

Humedad relativa

de salida

Concentración de

Solidos Entrada

Recuperación

de solidos

Temperatura de Entrada al

calentador de aire

ACTIVIDADES

Realice pruebas manteniendo la temperatura de entrada constante, variando el

flujo de alimentación

93

Realice pruebas manteniendo el flujo de alimentación constante variando la

temperatura de entrada de aire

Realice en un solo gráfico, la cantidad de solido seco en función de la

temperatura de entrada de aire y flujo de alimentación. Determine los valores

óptimos.

Realice cualquier otra prueba con una variable de interés, manteniendo las

demás constantes.

Establezca una relación empírica entre las variables estudiadas.

94

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Perry, R. Manual del Ingeniero Químico McGraw Hill. Sexta edición 1989.

Smith, Van Ness. Introducción a la termodinámica en séptima ingeniería

química, edición, Mc Graw Hill.

Treybal, R. Operaciones de transferencia de masa, McGraw Hill. México

1085.

Wankat, P.C. Ingeniería de procesos de separación. Segunda edición.

Prentice Hall. 2008

McCabe, Smith, & Harriot. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, Séptima Edición, México, McGraw-Hill. 1981

Kern, Transferencia de Calor, México, McGraw-Hill, 1999.

Joaquin Ocon & Gabriel Tojo; Problemas de Ingeniería Química, Operaciones Unitarias, Tomo I; Ed. Aguilar.1970

Duarte A. Ingeniero Químico M. Sc. Manejo de sólidos, Universidad

Nacional. Facultad de Ingeniería, Santafé de Bogotá. Cap 1- Cap 2- Cap 9

Rey Martínez, Francisco Javier y Gómez Velazco, Eloy. Bombas de calor y energías renovables en edificios. Editorial Thomson.