Manual Lopu Eapiq-unjfsc 2012

UNIVERSIDAD NACIONAL“JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION” FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGIA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de Experimentos  2012 Manuel José Jimenez Escobedo Tercera edición - 2012 Derechos Reservados  FLUJO DE FLUIDOS Y PARTÍCULAS  TRANSFERENCIA DE CALOR  TRANSFERENCIA DE MASA Autor: Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO Ingeniero Químico – Registro CIP Nº 52993 Profesor Asociado D.E. – Código Docente DNU053 [email protected] Huacho, Agosto del 2012  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 2 CONTENIDO INTRODUCCIÓN 3 ASPECTOS METODOLÓGICOS 4 REGLAMENTO INTERNO DEL LABORATORIO 5 REDACCIÓN DE INFORMES DE LABORATORIO 7 I. LA MECÁNICA DE FLUIDOS Y DE PARTÍCULAS 9 1.1 Cuba de Reynolds: evaluación del régimen de flujo de un fluido 11 1.2 Tiempo de descarga, de un tanque cilíndrico con tubo de salida vertical 14 1.3 Medidores de flujo interno 18 1.4 Factores de fricción, en un sistema de tuberías de sección circular 21 1.5 Bomba centrífuga: evaluación de parámetros característicos de operación 25 1.6 Sedimentación discontinua 29 II. LA TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA 32 2.1 Conducción de calor transitoria 33 2.2 Intercambiadores de calor: evaluación de parámetros de diseño y operación 36 2.3 Humidificación. Enfriamiento de agua en una columna de relleno 40 2.4 Secador de bandejas: evaluación de parámetros característicos de operación 44 2.5 Destilación binaria discontinua, en una columna de rectificación empacada 46 APÉNDICE 50 A.1 Referencias bibliográficas 51 A.2 Referencias electrónicas: enlaces de interés. 53 A.3 Dimensiones estándares para tuberías de acero comercial 55 A.4 Propiedades y diagramas, para agua y compuestos varios 56  2012 Manuel José Jimenez Escobedo Tercera edición - 2012 Derechos Reservados Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 3 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos INTRODUCCIÓN La Ingeniería es una Ciencia es constante desarrollo. A medida que la investigación y la experiencia amplíen nuestros conocimientos, se requieren cambios tecnológicos, acorde con los fundamentos conceptuales. A medida que la industria se vuelve más compleja, más importante será el papel de los Ingenieros Químicos, que demuestren capacidad, destreza y habilidad. El presente manual, en su tercera edición, es consecuencia de la experiencia docente del autor en el desarrollo de cursos del área de Operaciones de Transferencia de Cantidad de Movimiento, Calor y Masa; dictados en la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Universidad Nacional del Santa, y, Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión. El material que se presenta es un compendio de una serie de publicaciones, como Guías de Prácticas de Laboratorio que son mejorados continuamente en cada periodo lectivo, y servirá a los alumnos para que puedan entender que el trabajo realizado en el Laboratorio de Operaciones Unitarias es más importante para el futuro Ingeniero Químico, porque tendrá mayores oportunidades de tratar situaciones reales, en vez de los más restringidos e idealizados que es lo más usual. El propósito también consiste en crear una actitud científica en los alumnos, que los capacite para comprender las principales leyes físicas por sí mismos, en la medida de sus capacidades; que puedan investigar los fenómenos físicos, en vez de limitarse a verificar conclusiones conocidas. Los procedimientos del trabajo de Laboratorio están basados en los principios básicos, los estudiantes adquirirán confianza en su capacidad para aplicar los conceptos, y para hallar la solución a los problemas más complicados pero a la vez más atractivos. Huacho, Agosto del 2012 Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO Ingeniero Químico – Registro CIP Nº 52993 Profesor Asociado D.E. – Código Docente DNU053 [email protected] Teoría es cuando se sabe todo y nada funciona; práctica, cuando todo funciona y nadie sabe por qué. Anónimo Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 4 ASPECTOS METODOLÓGICOS El ingeniero químico adopta por profesión el diseño y la operación de procesos. Debe establecer, por sí mismo, la relación entre fundamentos y aplicaciones. Una escala muy grande generará un énfasis hacia la operación y una escala muy pequeña un énfasis a la ciencia ingenieril subyacente. En este nuevo milenio, de alta competitividad y exigencia, se pretende conseguir que a través de una forma distinta del trabajo de laboratorio los estudiantes desarrollen su creatividad y practiquen sus habilidades de análisis, síntesis y diseño de procesos, mediante el "hacer experimental". En este sentido, el estudiante de Ingeniería Química debe involucrarse en experiencias prácticas, conectar elementos, definir y proponer prototipos de diseño, así como también probar y operar diseños experimentales generados por él mismo. Deben ser entrenados en laboratorios, para "hacer" más que para ejecutar guías pre-escritas. El trabajo metodológico de la asignatura, está enfocado a desarrollar las actividades siguientes: 1º Demostración del uso y operación de equipos.- Se realizarán sesiones demostrativas de los equipos piloto del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la EAPIQ. Los estudiantes trabajarán en grupo para conocer el uso, condiciones operacionales, puesta en marcha, métodos de medición y medidas de seguridad durante la operación del equipo. 2º Realización del trabajo experimental.- los grupos deben organizar y prepararse de tal forma que todos participen y trabajen en forma colaborativa para cumplir con los objetivos planteados en cada sesión experimental de laboratorio. La información deberá ser procesada por el grupo de trabajo, efectuando corridas para adquirir datos cuantitativos de sus mediciones instrumentales de un proceso a escala banco, y obtener toda la información experimental para realizar las actividades de análisis, síntesis y diseño de la operación unitario en estudio.. 3º Comunicación de actividades y resultados.- Los estudiantes realizarán las presentaciones del trabajo experimental desarrollado, en forma escrita a través del informe técnico respectivo y en forma oral a través de la sustentación correspondiente. Se dispondrá de una sala de clases para estas actividades, evaluándose además el manejo didáctico de los medios y materiales. 4º Criterios de evaluación del trabajo experimental desarrollado.- Cada grupo de trabajo será evaluado en su respectivo informe presentado, según las pautas establecidas, a partir de la información experimental medida y contrastado con la existente en la literatura. Para ello se deberá observar y analizar el funcionamiento del equipo, formular el modelado de los datos observados y el análisis riguroso de los resultados para obtener los parámetros operacionales de diseño. Así mismo; predecir el comportamiento del proceso en escala banco, sometido a otras condiciones operacionales. También se considerará las propuestas para Diseñar y realizar experiencias similares de laboratorio a escala piloto. Las habilidades más críticas del Ingeniero Químico se relacionan con el análisis y la síntesis de los conocimientos científicos fundamentales, así como también con las particularidades de los equipos industriales requeridos para satisfacer un cierto diseño. Las habilidades y capacidades de un ingeniero químico de procesos se pueden sintetizar en: Medir, interpretar, predecir, ensayar hipótesis, diseñar, actuar y escalar. La formación de estas habilidades en los estudiantes de ingeniería química, con una base formal, rigurosa y estricta, va más allá de la mera exposición repetitiva (con distintos casos cada vez) de la secuencia de diseño. Al utilizar sólo el análisis de casos en simulación teórica se forman conductas abstractas (tan abstractas como los propios simuladores) y que requieren de un tiempo de dedicación posterior (durante el ejercicio de la profesión) del ingeniero para enlazar las nociones teóricas sólidas adquiridas con el universo más pragmático de los instrumentos y equipos de los procesos reales. En estas condiciones, el candidato a ingeniero químico de procesos debe estar preparado para este tipo de trabajos a lo largo de su formación profesional, que le permitan verificar la validez del fundamento teórico y entender la relación existente entre los fundamentos y el equipo piloto. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 5 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos Reglamento Interno DEL TRABAJO EN EL LABORATORIO: 1º Cada práctica de Laboratorio se realizará en grupos. El número e integrantes de cada grupo se establecerá en la primera semana de clases, máximo 4 personas/grupo. 2º Durante el desarrollo del trabajo experimental es obligatorio usar: mandil guardapolvo blanco, el manual de experimentos y un cuaderno para anotar todas sus observaciones. 3º Habrá una tolerancia máxima es de 10 minutos, transcurrido ese tiempo el alumno no ingresará a clases en el laboratorio y será considerado como inasistencia. 4º Los equipos, instrumentos y materiales del laboratorio a utilizar, entregados, están bajo responsabilidad de los integrantes de cada grupo de trabajo. En caso de pérdida o deterioro, tendrán un plazo máximo de siete (07) días para su reposición o reparación. 5º Durante el trabajo experimental está estrictamente prohibido: a) usar celulares; b) ingerir alimentos, c) generar indisciplina. En caso de incumplimiento, el alumno (o grupo de trabajo) será retirado del laboratorio y considerado como inasistencia. 6º Concluido el experimento, el grupo de trabajo deberá dejar limpio y ordenado los materiales y equipos utilizados; en caso contrario será considerado como NOTA DESAPROBATORIA en trabajo experimental. DEL TRABAJO ACADÉMICO: 7º Al inicio de cada práctica de laboratorio programada, los alumnos rendirán un test de 10 minutos de duración y correspondiente al tema a desarrollar. 8º El informe del experimento realizado, según pautas establecidas en guía de prácticas, debe entregarse personalmente al profesor hasta 24 horas antes del día fijado para su sustentación. En caso de detectarse informes duplicados, por copia, ambos serán anulados y calificados con Nota CERO. 9º La sustentación será por grupos y según rol, a realizarse en las semanas pares según cronograma, tiene una duración promedio de 30 minutos. Las intervenciones orales de los alumnos se califican individualmente. 10º El trabajo experimental, el informe presentado y la respectiva sustentación oral, será promediado y considerado como trabajo académico. 11º Cada alumno tiene derecho sólo a un (01) trabajo de recuperación experimental, programada para la 8º y/o 16º semana, por inasistencia justificada o por haber sido desaprobado(a). Huacho, Agosto del 2012 ___________________________________ Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO Profesor del curso - Jefe de Laboratorio Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 6 Distribución del trabajo Experimental por semestre académico GRUPOS DE TRABAJO Semana 1 Semana 3 Semana 5 Semana 7 Semana 9 Semana 11 Semana 13 Semana 15 PROGRAMACIÓN DE EXPERIMENTOS E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 1. G1 2. 3. 4. E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E1 1. G2 2. 3. 4. E3 E4 E5 E6 E7 E8 E1 E2 1. G3 2. 3. 4. E4 E5 E6 E7 E8 E1 E2 E3 1. G4 2. 3. 4. E5 E6 E7 E8 E1 E2 E3 E4 1. G5 2. 3. 4. E6 E7 E8 E1 E2 E3 E4 E5 1. G6 2. 3. 4. E7 E8 E1 E2 E3 E4 E5 E6 1. G7 2. 3. 4. E8 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 1. G8 2. 3. 4. Nota.- La presentación, y sustentación de informes, son realizadas en las semanas pare del cronograma académico  E1 : Cuba de Reynolds: evaluación del régimen de flujo de un fluido  E2 : Tiempo de descarga, de un tanque cilíndrico con tubo de salida vertical.  E : Medidores de Flujo Interno.  E : Factores de fricción, en un sistema de tuberías de sección circular  E : Bomba centrifuga: evaluación de parámetros característicos de operación.  E : Sedimentación discontinua.  E : Conducción de calor transitoria.  E : Intercambiadores de calor: evaluación de parámetros de diseño y operación.  E : Humidificación: enfriamiento de agua en una columna de relleno..  E : Secador de bandejas, evaluación de parámetros característicos de operación.  E : Destilación binaria discontinua, en una columna de rectificación empacada.  E : Extracción de aceites y grasas, con solventes, usando extractor Sohxlet.  E : Hidrodestilación de aceites esenciales, por arrastre con vapor.. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 7 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos REDACCION DE INFORMES DE LABORATORIO El estilo empleado al redactar un informe debe ser sencillo, directo, y la presentación de los temas debe ser convincente, pero sin incluir demasiados detalles. Es cierto que un estilo elegante y vigoroso pueda ser deseable, pero el redactor técnico no debe olvidar que su objetivo es el de suministrar información en forma clara y comprensible. El proceso físico de preparación de un informe puede subdividirse en:  Preparar un plan general esquemático; considerar la definición del tema, los objetivos y posibles lectores.  Escribir el primer borrador; corregirlo cuidadosamente para preparar la versión definitiva, considerando redacción y presentación. Finalmente, transcribir el informe final a presentar. El informe, de cada trabajo de Laboratorio, deberá ser redactado según las normas APA o VANCOUVER, con las partes estructurales siguientes: 1. DATOS GENERALES:  Carátula.- incluye el nombre de la institución, el título del informe, nombre de autor(es), nombre del asesor, la fecha de presentación.  Índice.- es la descripción del contenido del informe: general, de tablas, de figuras, y apéndices.  Resumen.- es la parte más importante y su objetivo consiste en dar a conocer al lector el contenido más relevante del informe, a lo más en una página. Todos los párrafos serán concisos, y contendrá mínima información explicatoria, tales como:  Un párrafo introductorio para presentar el tema al lector.  Un párrafo para incluir los resultados más notables, como información cualitativa y cuantitativa, las conclusiones y las recomendaciones más importantes.  Un párrafo para explicar su interrelación para un desarrollo futuro, en el campo profesional. 2. CUERPO DEL INFORME:  Introducción.- contiene una corta discusión que tiene por objeto explicar los propósitos y objetivos del trabajo realizado, y las razones para su preparación, no se incluyen resultados.  Antecedentes.- Incluye referencias a trabajos anteriores análogos o presentar los resultados de búsqueda bibliográfica, y otros trabajos previos.  Fundamento teórico.- Indica en forma ordenada y concisa las bases conceptuales teóricas sobre las que descansa el trabajo realizado.  Sección experimental.- no considera detalles innecesarios, y está referido al plan general del trabajo experimental desarrollado: equipo y materiales empleados, metodología experimental, y tabulación de los datos experimentales recolectados.  Resultados.- tabulación de datos obtenidos, a partir de los cálculos realizados, necesarios para la construcción de los gráficos esenciales para una mejor comprensión y análisis.  Análisis y discusión de resultados.- contiene una discusión general de las limitaciones de los resultados obtenidos, numéricos y gráficos. Además; el análisis de las probables fuentes de error, en base a la metodología experimental y métodos de cálculos utilizados.  Conclusiones.- Esta sección incluye información cualitativa concluyente del trabajo experimental desarrollado. Debe indicar si se cumplieron o no los fundamentos teóricos, y los objetivos, del trabajo.  Recomendaciones.- en base a resultados y conclusiones, mencionar las recomendaciones apropiadas para optimizar el desarrollo del trabajo experimental y/o minimizar los errores de cálculo.  Nomenclatura.- Si se utilizan numerosos símbolos en el informe, conviene incluir una lista indicando la nomenclatura apropiada. Utilizar los estándares establecidos.  Referencias bibliográficas.- lista todas las fuentes originales de información usadas para redactar el informe; ordenados alfabéticamente sobre la base del apellido del autor que figura en primer término: BIRD, Robert, y otros; Fenómenos de Transporte; 1º ed., Editorial Alhambra S.A; España; 1980; pp.6.2-6.20 Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 8 3. APENDICES: Contiene información complementaria para que el informe resulte más legible. Esta sección estará a disposición de quien desee comprobar los resultados; sin exceso de información que oscurezca el contenido: A.1 Cuestiones varias.- contiene las respuestas fundamentadas a ciertas interrogantes planteadas, relacionadas con el trabajo realizado. A.2 Ejemplo de cálculos.- debe cubrir cada uno de los tipos de cálculos realizados, explícitos como para que el lector pueda reconstruirlos y comprobarlos. A.3 Deducción de ecuaciones.- Incluye la deducción de las ecuaciones más importantes para la comprensión del texto del informe; referenciando la fuente usada. A.4 Tablas adicionales, gráficos y figuras varias.- en forma conjunta deben proporcionar la información detallada a efectos de verificar los resultados que aparecen en el cuerpo del informe. RECOMENDACIONES PARA LA REDACCIÓN  En todos los casos, debe respetarse los estándares internacionales referentes a las normas de publicación (APA o Vancouver), de nomenclatura, de símbolos y sistemas de unidades internacionales.  Los datos, cuando sea necesario, pueden presentarse en tablas, diagramas y figuras, ordenados con numeración arábiga y en negrita de acuerdo a la secuencia de presentación. La numeración y leyenda de una tabla se colocan en la parte superior, rnientras que en las figuras y diagramas se ubican en la parte inferior; para ambos casos indicar la fuente (elaboración propia o referenciar). Las ecuaciones deben editarse con procesador matemático e identificarse correlativamente con número a la derecha.  Las referencias, ordenadas alfabéticamente, se citan en el texto según normas APA o Vancouver. Las referencias a revistas se escriben por autor (Apellido principal e iniciales de los nombres), título de la revista abreviado (en cursiva), volumen (en negrita), página y el año entre paréntesis. Las referencias de libros serán por autor (apellido e inicial del nombre), título del libro entre comillas, número de edición, volumen (si hubiere), páginas, editor (si hubiere), editorial, lugar y fecha de publicación. Las Tesis se citan por autor, título (entre comillas), grado al que opta, universidad, lugar, página y año. Las páginas web se citan indicando la organización responsable de la página web, dirección electrónica, y la fecha más reciente de edición entre paréntesis. RECOMENDACIONES PARA EL MECANOGRAFIADO  El informe, redactado textualmente de manera impersonal, debe ser escrito usando procesador de texto compatible, tamaño de página A4, donde se incluyan las tablas, y figuras a criterio del autor. Las tablas no deben contener líneas internas. Todo el texto debe estar justificado.  Márgenes: Izquierdo 2.5 cm, derecho 2.5 cm, superior 2.5 cm, inferior 2.5 cm, encuadernado 0.5 cm.  EI tipo de letra Arial, estilo normal y tamaño de fuente 11, espaciado interlineal de 1.5, color de fuente negro (texto y gráficos); las leyendas de tablas y gráficos, así como el resumen, tamaño de fuente 9. Las citas, o notas referenciales, con tamaño de fuente 8. A continuación algunos ejemplos de redacción (según norma APA) REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Según Romairone A. (2009), el caracol gigante (Megalobulimus maximus), también conocido como “congompe” es una especie representativa de la fauna silvestre invertebrada de la Región San Martín, merece especial consideración, debido a que presenta un alto valor proteico, superior al de las ostras y al de los huevos de ave, con un contenido en minerales prácticamente doble al de la carne de vacuno y de las aves, pero lo más importante es el reducido contenido de grasa y colesterol en su carne. Para modelar la cinética de secado se utiliza el modelo de difusión de Fick para una placa plana (Barbosa, 2000), obteniéndose los coeficientes de difusión efectiva o aparente del agua en las diferentes muestras procesadas:   M  Me 8 1 2 Deff t   Mo  Me 2  2n  12 exp 2n  12  4 L2   (1) n 0   Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 9 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS La extracción por solventes, es el proceso que dio los mejores resultados. En la Tabla 5 son mostrados los valores promedio comparativos; observándose que los rendimientos están en un rango de 11,48 a 14,54%; valores cercanos a los reportados por Kondamudi (2008), rendimientos del 11 al 20%, que ha obtenido aceite de café a partir de desechos similares, mediante extracción con hexano, éter dietílico y diclorometano. La Tabla 9, muestran resultados fisicoquímicos comparativos con reportes de la literatura. Tabla 9. Caracterización fisicoquímica comparativa del aceite de café Parámetro de granos de café verde de granos de café tostado fresco de café percolado fisicoquímico Moellhausen NaturalSourcing NaturalSourcing Khan(1953) Schuette(1937) autores (2010) Viscosidad, máx.,(cp) - - 300,0 - - - Densidad, a 25ºC, (g/mL) 0,939 - 0,956 0,9365 - 0,9375 0,9 - 1,2 - 0,9653 0,8551 Índice de refracción, (a 25ºC) 1,40 - 1,55 1,453 - 1,463 1,45 - 1,48 - 1,4790 1,462 Índice de Yodo, (cg/g) - 100,5 - 101,5 - 97,6 100,72 131,2 Grado de acidez, (%Palmítico/g) - - 2,8 - 5,3 - - 5,4 Índice de acidez, (mg NaOH/g) - - - 0,245 - 0,842 Saponificación, (mg KOH/g) - - - 180,7 195,53 215,6 Material insaponificable, (%) - 11,3 4,0 5,84 12,63 15,6 Contenido de ácido linoléico, (%) - - 3,8 - 5,0 - - - Contenido de ácido oleico, (%) - - 4,0 - 4,6 0.27 - - Contenido de ácido palmítico, (%) - - 19,5 - 23,0 - 38.02 - Referencia: Elaborado por autores (Chávez, Jimenez,2010). Recopilación de la literatura, de varios autores según se cita. Tabla 6. Sistema metanol/etanol Data experimental(*) Data calculada con ec. Wilson T (ºC) x y T (ºC) y T y 70,67 0,026 0,267 70,86 0,272 -0,19 -0,005 66,44 0,050 0,371 66,60 0,379 -0,16 -0,008 62,87 0,088 0,457 63,11 0,461 -0,24 -0,004 60,20 0,164 0,525 60,31 0,527 -0,11 -0,002 58,64 0,333 0,559 58,62 0,574 0,02 -0,015 58,02 0,549 0,595 58,07 0,607 -0,05 -0,012 58,10 0,699 0,633 58,10 0,641 0,00 -0,008 58,47 0,782 0,665 58,42 0,673 0,05 -0,008 59,90 0,898 0,760 59,91 0,765 -0,01 -0,005 62,71 0,973 0,907 62,67 0,906 0,04 0,001 Diferencia media 0,087 0,0068 Fuente: (*) Perry's Chemical Engineers' Handbook(1999) Figura 2. (a) hidrodestilador; (b y c) equipo extractor Soxhlet, de metal y vidrio; (d) aceite de café obtenido. Referencia: Fotos de autores (2010). Figura 5. Diagrama T-x-y, sistema etanol/benceno, a 1 atm. Fuente: Elaboración propia del autor Forma gráfica Forma gráfica incorrecta correcta Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 10 Capítulo I LA MECÁNICA DE FLUIDOS Y DE PARTÍCULAS 1.1 Cuba de Reynolds: evaluación del régimen de Flujo de un fluido 11 1.2 Tiempo de descarga, de un tanque cilíndrico con tubo de salida vertical 14 1.3 Medidores de flujo interno 18 1.4 Factores de fricción, en un sistema de tuberías de sección circular 21 1.5 Bomba centrífuga: evaluación de parámetros característicos de operación 25 1.6 Sedimentación Discontinua 29 CUBA DE REYNOLDS Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 11 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos evaluación del régimen de Flujo de un fluido 1. TEMA Las características que condicionan el flujo de fluidos a través de tuberías dependen de las propiedades del líquido y de la estructura interna del flujo. Conforme aumenta el flujo másico aumentan las fuerzas de inercia, las cuales son contrarrestadas por la fricción dentro del líquido que fluye. Cuando estas fuerzas alcanzan un cierto equilibrio se producen cambios en las características del flujo, generándose los regímenes de flujo universalmente aceptados: flujo laminar, transicional y turbulento. En base a los experimentos realizados por Osborne Reynolds en 1883, se concluyó que las fuerzas inerciales son función de la densidad, del diámetro de la tubería y de la velocidad media del fluido. Además, las fuerzas viscosas dependen de la viscosidad del líquido. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General Verificar que la naturaleza de un flujo dado, para un fluido incompresible, se caracteriza por su número de Reynolds 2.2 Objetivos Específicos a) Visualizar experimentalmente los diferentes regímenes de flujo, para un fluido que se desplaza a través de una tubería. b) Calcular el número de Reynolds, y comprobar las diferencias cualitativas y cuantitativas, para un régimen de flujo dado y sujeto a diferentes condiciones experimentales. c) Calcular las fuerzas hidrostáticas que soporta la cuba de Reynolds utilizada en la experimentación. 3. ACTIVIDADES DE FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA Realice una adecuada investigación bibliográfica, y defina en forma breve los conceptos siguientes: 3.1 Fluidos: concepto, características y propiedades. 3.2 La capa límite. Líneas de corriente. Flujo Poiseuille. 3.3 Esfuerzo cortante. Fuerza de arrastre. 3.4 Flujo laminar, flujo transicional y flujo turbulento. 3.5 Longitud de entrada. Perfil de velocidades. 3.6 Número de Reynolds. Número de Reynolds crítico. 3.7 Fuerzas hidrostáticas sobre superficies planas y curvas. Centros de masa y de Presión. 4. ACTIVIDADES DE REALIZACIÓN PRÁCTICA Se procederá a desarrollar el experimento clásico de Reynolds, flujo de agua en tubo de vidrio, utilizando colorante para observar su comportamiento a diferentes velocidades a través del ducto. Duración de experimento: 2 horas aproximadamente. 4.1 Equipos y materiales.- se debe disponer de: 1) una cuba de Reynolds, de vidrio y equipada con accesorios; 2) equipo inyector de colorante; 3) fuente de agua limpia; 4) una probeta graduada; 5) un cronómetro; 6) termómetro; 7) recipientes de plástico, varios. Figura 1. Cuba experimental de Reynolds 4.2 Procedimiento experimental.- 4.2.1 Familiarizarse con la operación del equipo, para las válvulas establecer escalas de Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 12 abertura: 10, 20, .., 90 y 100%. 4.2.2 Comenzar abriendo la válvula V-3 para llenar la cuba con agua, hasta una altura H que debe mantenerse constante durante el trabajo experimental (según dimensiones de la cuba y la resistencia que ésta pueda ofrecer). 4.2.3 Abrir parcialmente la válvula V-2, coordinadamente con la válvula V-3, para mantener la altura H constante. Establecido el régimen de flujo, medir la temperatura del fluido, y registrar un número adecuado de datos para medir el caudal. 4.2.4 Abrir la válvula V-1, regulando la inyección del tinte, para observar la naturaleza cualitativa de la línea coloreada del flujo de fluido en tubo de vidrio, debe registrar la observación. 4.2.5 Repetir el procedimiento, desde 4.2.3, para cada una de las escalas de abertura establecidas para la válvula V-2. Terminado el trabajo experimental, realizar limpieza general del equipo. 4.3 Datos por consignar.- 4.3.1 Sobre la cuba de Reynolds: a) Dimensiones físicas, internas y externas. b) Diámetro y longitud, del tubo de vidrio. c) Tipo de material, y accesorios utilizados. d) Tipo de tinte utilizado. 4.3.2 Mediciones del caudal: a) Altura H, del fluido contenido en la cuba. b) Lectura del volumen de agua recolectada. c) Lectura del tiempo empleado para recoger volumen de agua. d) Temperaturas: del agua, y ambiente del laboratorio. e) Tipo de flujo cualitativo observado, en tubo de vidrio. Se sugiere utilizar la siguiente planilla para registrar datos experimentales: Fluido de trabajo: Altura del fluido (H, cm): Dato Abertura Volumen Tiempo Caudal Temperatura Tipo de flujo Nº V-2 (%) fluido (mL) (seg) Q = V/t fluido (ºC) observado v1 t1 v2 t2 1 10 v3 t3 <Q1> T1 Laminar v4 t4 v5 t5 … … … … … … ¿…? v1 t1 v2 t2 n 100 v3 t3 <Qn> Tn ¿…? v4 t4 v5 t5 5. ACTIVIDADES DE EVALUACIÓN 5.1 Cálculos por efectuar.- Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 13 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 5.1.1 Determinar las propiedades físicas, densidad y viscosidad del fluido, como función de la temperatura experimental., 5.1.2 Calcular el flujo másico <mº>, velocidad promedio de flujo <V>, y el número de Reynolds Re, en función de los valores experimentales del caudal promedio <Q>. Interpretar los resultados frente al tipo de flujo observado. 5.1.3 Correlacionar de acuerdo al modelo teórico, los datos experimentales de Re vs. Q, Re vs. <V>, Re vs. <mº>. Interpretar los resultados obtenidos. 5.1.4 Determinar y calcular las respectivas fuerzas hidrostáticas que actúan sobre la cuba. Evaluar el centro de masa y centro de presiones. 5.2 Gráficos sobre los cuales informar.- Utilice distintos tipos de símbolos para representar los diferentes valores calculados. Además; los puntos experimentales deben ser suavizados mediante una correlación para trazar la curva apropiada. 5.2.1 Analizar e interpretar el significado de los gráficos siguientes: Re vs. Q, Re vs. <mº>, Re vs. <V>. Discutir la discrepancia existente entre valores experimentales frente a los teóricos. 5.2.2 Analizar e interpretar el significado de los gráficos de todas las fuerzas hidrostáticas que actúan en la cuba de Reynolds. 5.3 Cuestionario 5.3.1 ¿Qué sucedería si el nivel H, de agua utilizada, no permanece constante? 5.3.2 ¿Qué sucedería si la longitud del tubo utilizado se reduce a la mitad? ¿Si la longitud aumenta al doble? Fundamentar su respuesta. 5.3.3 ¿Qué sucedería si el diámetro del tubo utilizado se reduce a la mitad? ¿Si el diámetro aumenta al doble? Fundamentar su respuesta. 5.3.4 ¿Qué efectos tendría el uso de un fluido más viscoso, y menos viscoso? 5.3.5 ¿Qué efectos tendría el uso de un fluido más denso, y menos denso? 5.3.6 Explicar si la naturaleza del tinte utilizado influye en el experimento. DESARROLLO DEL PRESENTACION DEL SUSTENTACION DEL TRABAJO DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO Fecha : Fecha : Fecha : ____________ _____________ _____________ V° B° Profesor V° B° Profesor V° B° Profesor TIEMPO DE DESCARGA Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 14 de un tanque cilíndrico con tubo de salida vertical 1. TEMA Este prototipo es un ejemplo típico de problemas en ingeniería relacionados con el flujo de fluidos. Se pretende descargar un tanque cilíndrico vertical, inicialmente lleno con un fluido Newtoniano, incompresible en condiciones isotérmicas, mediante un tubo conectado en su base. Experimentalmente se obtendrá el tiempo necesario para vaciar el tanque en términos de la velocidad de descarga. Para obtener un modelo matemático de solución, a confrontar con los resultados experimentales, se plantea un método de estado cuasi-estacionario, balance de materia en estado no estacionario realizado simultáneamente con balance de energía mecánica en estado estacionario. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General Evaluar los principios de conservación de materia y energía, aplicados en forma simultánea a un sistema isotérmico de composición constante, considerando un modelo de estado cuasi- estacionario. 2.2 Objetivos específicos: a) Calcular los parámetros de flujo (<V>, Q, Re, f, hf) como función del tiempo experimental y la variación de carga hidráulica H del fluido. b) Deducir un modelo estadístico para el tiempo de descarga, y calcular sus respectivos parámetros de flujo. c) Deducir un modelo matemático para obtener el tiempo de descarga analítico, y calcular sus respectivos parámetros de flujo. d) Calcular y analizar los errores obtenidos, en función de los modelos planteados. 3. ACTIVIDADES DE FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA Consulte la bibliográfica adecuada, para que en forma breve y concisa defina los términos siguientes: 3.1 Principio de conservación de materia. 3.2 Principio de conservación de energía mecánica. 3.3 Factor de corrección de energía cinética. 3.4 Longitud de entrada. Factor de fricción: métodos de cálculo. 3.5 Pérdidas de energía por fricción: pérdidas mayores, pérdidas menores. 4. ACTIVIDADES DE REALIZACIÓN PRÁCTICA Para ilustrar la aplicación de los balances materia y energía mecánica, en estado Cuasi- estacionario, se procederá a estudiar la velocidad de descarga de un tanque a través de un tubo vertical conectado en su fondo. Duración del experimento: 3 horas aproximadamente. 4.1 Equipos y materiales: debe disponerse de: 1) dos tanques cilíndricos, uno de base plana, y, otro de base cónica, ambos dotados de un nivel y conexión para tubos; 2) tubos intercambiables para salida, de diversas longitudes y diámetros; 3) termómetros; 4) cronómetros; 5) probeta graduada; 6) recipientes plásticos, varios; 7) soportes para los tanques; 8) fluidos de trabajo: agua y querosene. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 15 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos Figura 1. Equipos experimentales Dimensiones de los tubos a utilizar, recomendados, material de cobre y/o aluminio, TUBO DIAMETRO INTERNO LONGITUD 1 3.0 mm 60 cm 2 5.0 mm 60 cm 3 8.0 mm 60 cm 4 5.0 mm 30 cm 5 5.0 mm 15 cm 4.2 Procedimiento experimental.- 4.2.1 Calibración del nivel: a) Por medio del tapón, obture el fondo del tanque. b) Llene el tanque con sucesivos volúmenes conocidos de agua sin desagotar los precedentes. Verificar las diferencias, por la variación de alturas de nivel del fluido. 4.2.2 Medición de los tiempos integrales de escurrimiento: a) Conecte al tanque uno de los tubos de salida, llene el tanque y el tubo con el fluido de trabajo hasta una altura prefijada en el nivel. Registre la temperatura del fluido b) Permita que el líquido comience a escurrir del tanque c) Registre la variación del tiempo de escurrimiento, acumulativo, para un intervalo constante de descenso del nivel del líquido, hasta llegar a desagotar el tanque. d) Repita el procedimiento, un número determinado de veces para obtener valores promedios, para cada uno de los diferentes tanques, tubos y fluidos. 4.3 Datos por consignar.- 4.3.1 Características del tanque, y del tubo de salida: a) Geometría del tanque, dimensiones físicas (altura y diámetro). b) Material, longitud, y diámetro, interno y externo, de tubos. c) Datos de calibración del nivel, altura como función de volumen del fluido. 4.3.2. Mediciones del tiempo de escurrimiento: a) Fluido de trabajo empleado. b) Temperatura del líquido. c) Tiempo de descarga acumulativo, del nivel de descenso. d) Temperatura y presión atmosférica. Se sugiere la siguiente planilla para registro de datos: Tubo Nº : diámetro = Longitud = Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 16 Dato Escala Tiempos de descarga (seg) Nº Nivel (cm) T1 T2 T3 Promedio 0 24 T1o T2o T3o T0 1 22 T11 T21 T31 T1 … … … … … … n 0 T1n T2n T3n Tn Descarga VACÍO TD1 TD2 TD3 TP1 total (seg) Temperatura --- TF1 TF2 TF3 TFP fluido (ºC) 5. ACTIVIDADES DE EVALUACION 5.1 Cálculos por efectuar.- para cada tipo de tanque, tubo y fluido usado: 5.1.1 Calcule el diámetro efectivo del tanque, a partir de los datos obtenidos por calibración. 5.1.2 Deduzca a partir del balance macroscópico de materia en estado no estacionario, la velocidad de salida <V2> del fluido, expresada como función de la velocidad de descenso (- dH/dt) y de la relación de diámetros (tubo/tanque). 5.1.3 Utilizar el balance macroscópico de energía mecánica en estado estacionario. Desprecie la energía cinética en la superficie del fluido, evalúe los términos adecuados para estimar las pérdidas totales de carga hidráulica hf (conexión tanque_tubo, fricción del tubo, longitud de entrada), y deduzca una ecuación para el cálculo analítico de la velocidad de salida <V2> del fluido. 5.1.4 A partir de las ecuaciones, deducidas en 5.1.2 y 5.1.3, obtener el tiempo analítico de descarga como función de la geometría del tanque, H, y propiedades físicas del fluido. 5.1.5 Correlacione los valores experimentales del tiempo de escurrimiento y obtenga la ecuación estadística t = f (H). 5.1.6 La velocidad de descenso (-dH/dt), útil para el cálculo de <V2>, debe ser obtenida así: a) Diferenciando, numérica o gráficamente, la relación del tiempo acumulativo de escurrimiento experimental como función de H. b) Derivando la ecuación estadística t = f(H), obtenida en 5,1,5. c) Iterativamente, relacionando las ecuaciones 5.1.2 y 5.1.3 5.1.7 El factor de fricción f como función del número de Reynolds, debe calcularlo simultánea y numéricamente con los valores de <V2.>. 5.1.8 Utilice los valores calculados de f y <V2>, y realice los cálculos de los demás parámetros de flujo (Q, mº, Re, longitud de entrada al tubo, pérdidas hf) experimentales, estadísticos, y teóricos, respectivamente. Finalmente, obtener los errores de cálculo. 5.2 Gráficos sobre los cuales informar.- Utilice distintos tipos de símbolos para representar los diferentes valores calculados. Además; los puntos experimentales deben ser suavizados mediante una correlación para trazar la curva apropiada. 5.2.1 Para cada tipo de tanque y fluido utilizado (escoger el tubo más representativo), grafique: a) Carga hidráulica H vs. tiempo de descarga. b) Velocidad de salida <V2> vs. carga H. c) Velocidad de descenso (-dH/dt) vs. carga H. d) Factor de fricción f vs. Re, número de Reynolds. 5.2.2 Para cada tipo de tanque, fluido y tubos utilizados, grafique: a) Tiempo de descarga vs. carga hidráulica H, para todos los tubos de diámetro constante. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 17 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos b) Tiempo de descarga vs. carga hidráulica H, para todos los tubos de longitud constante. 5.3 Cuestionario.- 5.3.1 ¿Qué es un proceso transitorio y qué uno estacionario? ¿Qué características distinguen a un modelo como quasi-estacionario? 5.3.2 Cuando existe un fenómeno rápido y simultáneamente uno lento ¿cuál fenómeno gobierna la dinámica del proceso? 5.3.3 ¿Cómo explica la importancia de calcular el diámetro efectivo del tanque? ¿Por qué no se considera el diámetro físico real? 5.3.4 Explicar la razón de la desviación del tiempo de descarga experimental respecto al valor teórico, a medida que se emplean tubos más cortos. 5.3.5 ¿Cuál es el factor influyente en la desviación de los valores del tiempo de descarga a medida que se emplean tubos de mayor diámetro? 5.3.6 Considere el caso que no se utiliza ningún tubo, es decir, la descarga se produce a través del orificio. ¿Cómo deduciría el tiempo de escurrimiento, y cuál serían estos valores? ¿Aumenta o disminuye, respecto al tubo más corto? 5.3.7 ¿Influiría en los resultados teóricos, si se considera los términos de energía cinética que se despreciaron al efectuar el balance macroscópico de energía mecánica? 5.3.8 ¿Qué criterios son necesarios para aplicar un balance de conservación de cantidad de movimiento? ¿Qué importancia relativa esperaría que tuvieran los efectos de la aceleración de la gravedad? 5.3.9 Explique si el término Longitud de Entrada influye en los resultados. 5.3.10 El régimen de flujo (laminar, transición o turbulento) tiene preponderancia sobre los modelos matemáticos deducidos, o estos se emplean en todas las regiones. En caso contrario, indicar las limitaciones. DESARROLLO DEL PRESENTACION DEL SUSTENTACION DEL TRABAJO DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO Fecha : Fecha : Fecha : ____________ _____________ _____________ V° B° Profesor V° B° Profesor V° B° Profesor MEDIDORES DE FLUJO INTERNO Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 18 1. TEMA En los procesos industriales, siempre se tratan problemas prácticos de transporte de fluidos desde un lugar a otro y de la medida de sus velocidades de flujo. Los fluidos tanto líquidos como gases, casi siempre circulan por el interior de conducciones cerradas, a veces de sección cuadrada o rectangular, pero con más frecuencia de sección circular. Se estudiarán las técnicas apropiadas para medir ciertas propiedades de los fluidos así como algunos parámetros de flujo. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo general: Verificar la aplicación práctica de los principios de conservación de masa y energía mecánica, considerando estado estacionario, en el diseño de medidores de flujo. 2.2 Objetivos específicos: a) Calcular la velocidad de flujo experimental, utilizando una placa de orificio y rotámetros, para sistemas de flujo con agua y aire, respectivamente. b) Calcular la velocidad de flujo teórica como función de la variación de presión a través de un medidor de flujo interno. c) Calcular el coeficiente de descarga experimental, para cada sistema de flujo. d) Calcular las pérdidas de energía por fricción, en el sistema de tuberías y accesorios, a diferentes velocidades de flujo, para agua y aire, respectivamente. 3. ACTIVIDADES DE FUNDAMENTACION TEORICA Consulte la bibliografía adecuada para que en forma breve y concisa, defina los conceptos siguientes: 3.1 Teoría de medidores. Medidor primario, y, medidor secundario. 3.2 Ecuación general de los medidores de flujo. 3.3 Medidores de presión. Tipos de medidores de flujo interno: de velocidad, de carga variable, y de área variable. 3.4 Radio hidráulico. Diámetro hidráulico. 3.5 Carga dinámica útil. Potencia útil. 4. ACTIVIDADES DE REALIZACION PRÁCTICA Se procederá a estudiar una metodología apropiada para medir la velocidad de flujo de fluidos, compresibles e incompresibles, como función de la variación de presión, utilizando una placa de orificio concéntrica. Duración del experimento: 3 horas aproximadamente. 4.1 Equipos y materiales.- Se debe disponer de: 1) un sistema de tubería para flujo de agua y aire, equipada con una placa de orificio y accesorios varios, 2) recipientes calibrados, para medir caudal; 3) un manómetro de 90 cm, de agua sobre mercurio; 4) termómetros; 5) probeta graduada; 6) cronómetros. Figura 1. Equipo experimental 4.2 Procedimiento experimental.- realizará los experimentos siguientes: Experimento A: Evaluar placa de orificio, para flujo de agua, utilizando sistema de tuberías con bomba centrífuga. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 19 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos Experimento B: Evaluar placa de orificio, para flujo de aire, utilizando sistema de tuberías con ventilador. Experimento C: Evaluar un rotámetro, para flujo de agua, utilizando sistema de tuberías con bomba centrífuga. Experimento D: Evaluar un rotámetro, para flujo de aire, utilizando sistema de tuberías con ventilador. Para cualquiera de los casos anteriores, seguir el procedimiento siguiente: 4.2.1 Antes de comenzar el trabajo establecer una escala de abertura de la válvula V-D, de descarga del fluido de trabajo (se sugiere: 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 y 100 %). 4.2.2 Elimine el contenido de aire en el sistema de tuberías de flujo de agua. Además, debe ajustar la altura de las columnas de agua en el manómetro de mercurio. 4.2.3 Para el sistema de flujo a estudiar, determine la variación de presión (en mm de fluido manométrico) para los diferentes valores de caudal (obtenidos al abrir parcialmente la válvula V-D, según la escala de trabajo pre-establecida). 4.2.4 Repetir el paso anterior, ahora utilizando aire determine la variación de presión, para los diferentes valores de caudal. 4.2.5 Terminado el trabajo experimental, apagar el sistema auxiliar de transporte de fluidos. Finalmente, efectúe una limpieza general del equipo experimental. 4.3 Datos por consignar.- 4.3.1 Sobre el sistema de tuberías: a) longitudes y diámetros, aguas arriba y agua abajo, respectivamente. b) Características técnicas de dispositivos de medición de flujo. c) tipos de accesorios: material, número y dimensiones. 4.3.2 Mediciones del flujo: a) Lectura de la variación del manómetro, de mercurio para agua y glicerina para aire. b) Lectura de la variación de la escala del rotámetro. c) Lectura del tiempo empleado para recoger volumen de agua. d) Temperaturas: de fluido de trabajo y ambiente del laboratorio. Se sugiere la siguiente planilla para registro de datos: Fluido de trabajo: Temperatura ambiente: Dato Abertura P Volumen Tiempo Caudal Temperatura Nº V-D (%) (mm) fluido (lt) (min) Q = V/t fluido (ºC) h1 v1 t1 1 10 h2 V2 t2 <Q1> T1 h3 V3 t3 … … … … … … … h1 v1 t1 n 100 h2 V2 t2 <Qn> Tn h3 V3 t3 5. ACTIVIDADES DE EVALUACION 5.1 Cálculos por efectuar.- para cada sistema de flujo de fluido: 5.1.1 Deducir la ecuación experimental Q   P , del medidor de flujo respectivo, para n obtener el valor del coeficiente Co. 5.1.2 Realice cálculos del flujo másico m, velocidad promedio <V> de salida y número de Reynolds Re, respectivamente, como función de los valores experimentales del caudal Q promedio. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 20 5.1.3 Realice cálculos teóricos de todos los parámetros de flujo, utilizando la ecuación general de los medidores de flujo. 5.1.4 Calcule las pérdidas de energía por fricción en el sistema de tuberías, aguas arriba y aguas abajo, respectivamente. 5.2 Gráficos sobre los cuales informar.- Utilice distintos tipos de símbolos para representar los diferentes valores calculados. Además; los puntos experimentales deben ser suavizados mediante una correlación para trazar la curva apropiada. 5.2.1 Grafique Q vs.  P, Ln Q vs Ln  P; identifique las regiones correspondientes a flujo laminar, transición y turbulento. 5.2.2 Grafique la relación de flujos (experimental/teórico) como función del número de Reynolds Re. 5.3 Cuestionario.- 5.3.1 ¿Cuál es la diferencia entre caudal aparente y caudal real? 5.3.2 Explique porque existe diferencias entre los valores calculados del coeficiente de descarga Co experimental, y los proporcionados por la literatura. Fundamente su respuesta. 5.3.3 ¿Cómo obtendría el error de la medición? 5.3.4 Explique cuáles son las ventajas y las desventajas de utilizar una placa de orificio y un rotámetro, para medir parámetros de flujo. ¿Las razones serán las mismas para sistemas de flujo de fluidos, compresibles e incompresibles? 5.3.5 Si los sistemas de tuberías se instalaran en posición vertical, ¿se obtendrían los mismos resultados? Fundamente su respuesta. 5.3.6 ¿Influye el tipo de fluido manométrico? Fundamentar. 5.3.7 ¿Qué es la caída de presión máxima y qué la caída de presión irreversible en un medidor de orificio? 5.3.8 ¿Por qué se realiza la Curva de Calibración de los Rotámetros? DESARROLLO DEL PRESENTACION DEL SUSTENTACION DEL TRABAJO DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO Fecha : Fecha : Fecha : ____________ _____________ _____________ V° B° Profesor V° B° Profesor V° B° Profesor FACTORES DE FRICCIÓN en un sistema de tuberías de sección circular Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 21 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 1. TEMA Cuando un fluido recorre un conducto, ejerce una fuerza de arrastre sobre la superficie sólida con la cual se pone en contacto y que solamente actúa sobre la interfase mojada. En el caso de un tubo de sección transversal uniforme, completamente llena con un fluido en movimiento, la fuerza es directamente proporcional al producto del área mojada y un valor de su energía cinética, siendo ambas características del sistema. Al coeficiente de proporcionalidad se le denomina factor de fricción, este factor es función de las características del conducto y de las propiedades del fluido. Cuando el régimen de flujo está bien establecido, la fuerza de arrastre se balancea exactamente por la caída de presión a lo largo de la tubería sobre la cual actúa la fuerza. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo general Verificar la relación existente entre la variación de presión y la velocidad volumétrica de flujo a través del conducto por el cual circula un fluido. 2.2 Objetivos específicos: 2.2.1 Calcular las pérdidas de carga hidráulica como función de la caída de presión. 2.2.2 Calcular el factor de fricción y demás parámetros de flujo, para un fluido que circula a través de un conducto de sección circular. 2.2.3 Calcular la fuerza de arrastre del fluido sobre las paredes de la tubería. 3. ACTIVIDADES DE FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA Realice una adecuada investigación bibliográfica, y defina en forma breve los conceptos siguientes: 3.1 Principio de conservación de materia. 3.2 Principio de conservación de energía mecánica. 3.3 Longitud de entrada; y su determinación como función del tipo de flujo. 3.4 Rugosidad absoluta y rugosidad relativa, en tubos lisos y ásperos. 3.5 Pérdidas de carga por fricción: pérdidas mayores y menores. 3.6 Factor de fricción. Métodos de cálculo: analíticos, gráficos e iterativos. 4. ACTIVIDADES DE REALIZACION PRÁCTICA Se procederá a determinar la pérdida de carga hidráulica que tiene lugar cuando circula agua con diferentes caudales, recorriendo ductos de diversos diámetros y longitudes. Duración del experimento: 3 horas aproximadamente. 4.1 Equipos y materiales.- El equipo a emplear consta de: 1) un sistema de tres conductos de ensayo, de sección circular y equipados con anillos piezométricos; 2) un manómetro de agua sobre mercurio, de 90 cm; 3) fuente de agua limpia; 4) instalación auxiliar de tuberías y accesorios para bombeo; 5) recipiente calibrado, para medir caudal; 6) cronómetro; 7) termómetro; 8) recipientes de plástico, varios. Figura 1. Equipo experimental Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 22 Figura 2. Esquema del equipo experimental para evaluar factores de fricción en tuberías Dimensiones sugeridas para tramos de ensayo, acero comercial cédula 40, equipados con anillos piezométricos: Tuberia Ubicación Diámetro Nominal Longitud Tramo A Inferior 1.000 pulgadas 3.50 cm B Central 1.000 pulgadas 4.00 cm C Superior 1.000 pulgadas 6.50 cm 4.2 Procedimiento experimental.- 4.2.1 Estudie la ubicación de todas las válvulas (se sugiere establecer: 10, 25, 50, 75, y 100 %, como escalas de abertura), y familiarícese con la operación del equipo. 4.2.2 Eliminar el contenido de aire en todo el sistema de tuberías. Además, debe ajustar la altura de las columnas de agua en el manómetro de mercurio. Efectúe la medición del caudal y de la variación de presión, lectura manométrica, procediendo así: a) Iniciar con todas las válvulas cerradas, excepto válvula V-D. b) Abra totalmente la válvula de entrada del tubo a evaluar (V-1, V-3 ó V-5, según sea el caso), excepto V-2, V-4 ó V-6. c) Abra lentamente la válvula de salida del tubo que se desea estudiar (V-2, V-4 ó V-6, según corresponda), y encienda la electrobomba. La finalidad es tomar precauciones, de tal forma de asegurar que no se produzca un cambio brusco de presión cuando se alcanza un valor máximo de altura en el manómetro de Hg, en caso contrario el fluido manométrico saldría expulsado violentamente del instrumento. d) Para cada uno de los tres tramos de tubería a estudiar, determine la variación de presión (en mm de Hg) para cada valor del caudal (obtenidos por combinación de aberturas de las válvulas de entrada y salida, de cada tubo respectivamente). 4.2.3 Concluidas las diferentes mediciones de presión y caudal, correspondientes a cada tubería a estudiar, apagar el sistema de bombeo y efectuar una limpieza general del equipo utilizado, desalojar el agua de todas las tuberías y la bomba. 4.3 Datos por consignar.- 4.3.1 Sobre el conducto a estudiar: a) dimensiones del diámetro (nominal, externo e interno). b) longitud del tramo de tubería, distancia entre anillos piezométricos. c) tipo de material, y tipos de accesorios, en cada línea. 4.3.2 Mediciones de presión: a) Lectura manométrica de variación de presión, en mm Hg. b) Presión atmosférica. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 23 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 4.3.3 Mediciones del caudal: a) Lectura del manómetro, acoplado para placa de orificio. b) Lectura del tiempo y volumen de agua, en tanque calibrado. c) Temperatura del agua, y temperatura del ambiente Se sugiere la siguiente planilla para registro de datos: Línea a estudiar : A Válvula V-1 (% abertura): 100 Fluido de trabajo: agua Dato Abertura P Volumen Tiempo Caudal Temperatura P Nº V-D (%) placa fluido (L) (min) Q = V/t fluido (ºC) fricción (mm Hg) (mm Hg) h1 v1 t1 h1 h2 v2 t2 h2 1 10 h3 v3 t3 <Q1> T1 h3 h4 v4 t4 h4 h5 v5 t5 h5 … … … … … … … … h1 v1 t1 h1 h2 v2 t2 h2 n 100 h3 v3 t3 <Qn> Tn h3 h4 v4 t4 h4 h5 v5 t5 h5 5. ACTIVIDADES DE EVALUACION 5.1 Cálculos por efectuar.- 5.1.1 Efectúe balances macroscópicos de masa y energía mecánica, en estado estacionario, para todo el sistema. 5.1.2 Deducir la ecuación experimental Q   P , de la placa de orificio, para obtener el n valor del coeficiente Co. 5.1.3 Calcule el número de Reynolds como función de los valores experimentales del caudal Q. Calcule también la Longitud de entrada como función del Reynolds. 5.1.4 Utilizando relaciones manométricas deducir la ecuación para el cálculo del factor de fricción experimental, como función de la variación de presión y del caudal. 5.1.5 Correlacione el factor de fricción experimental como función de la velocidad <V>, del caudal Q, y del número de Reynolds Re. Calcule el factor de fricción estadístico. 5.1.6 Calcule factor de fricción teórico, a partir de las ecuaciones analíticas universales. Además, realice cálculos y análisis de errores comparativos, frente a los resultados experimentales y estadísticos obtenidos anteriormente. 5.1.7 Calcule la fuerza de arrastre, como función de la energía cinética. 5.2 Gráficos sobre los cuales informar.- Utilice distintos tipos de símbolos para representar los diferentes valores calculados. Además; los puntos experimentales deben ser suavizados mediante una correlación para trazar la curva apropiada. Para todos los casos identifique las regiones correspondientes a flujo laminar, transición y turbulento 5.2.1 Grafique f vs. Q, y, Ln f vs.Ln Q, respectivamente. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 24 5.2.2 Grafique f vs. Re, y, f vs. Ln Re, respectivamente. 5.2.3 En una misma gráfica, para cada línea, grafique Q vs.  P (metros de H2O). 5.2.4 En una misma gráfica, para cada línea, grafique Ln Q vs Ln  P. 5.3 Cuestionario 5.3.1 ¿Qué es el factor de fricción? ¿Cómo se distingue el factor de fricción de Darcy del factor de fricción de Fanning y cómo se usan ambos en el cálculo de las pérdidas por fricción? 5.3.2 ¿Qué es la fricción de rozamiento y qué la fricción de forma? 5.3.3 ¿Cómo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor de fricción? 5.3.4 ¿Cómo se relaciona la caída de presión en un tubo con el factor de fricción? 5.3.5 ¿Qué es un accesorio en una red de tuberías? ¿Qué es la longitud equivalente de un accesorio? 5.3.6 ¿Qué es el coeficiente de rozamiento de un accesorio? 5.3.7 ¿Porqué los anillos piezométricos están colocados a una considerable distancia de las válvulas? ¿Es predominante el efecto de la longitud de entrada al conducto? 5.3.8 ¿Para qué tipo de fluido y en qué circunstancias, es conveniente aplicar todos los datos del factor de fricción experimental?. ¿Se vería afectado como por la longitud y diámetro? 5.3.9 Cuando un tubo tiene mayor rugosidad absoluta, el aumento de la resistencia al fluido ¿se explica como consecuencia del arrastre friccional, o de la resistencia de forma? 5.3.10 ¿Para qué tipo de fluido y en qué circunstancias, es conveniente aplicar todos los datos del factor de fricción experimental?. ¿Se vería afectado como por la longitud y diámetro? 5.3.11 Explique la razón por la cual la rugosidad de la pared de un tubo se pone de manifiesto en el régimen turbulento y no en el laminar. 5.3.12 Cuando un tubo tiene mayor rugosidad absoluta, el aumento de la resistencia al fluido ¿se explica como consecuencia del arrastre friccional, o de la resistencia de forma? DESARROLLO DEL PRESENTACION DEL SUSTENTACION DEL TRABAJO DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO Fecha : Fecha : Fecha : ____________ _____________ _____________ V° B° Profesor V° B° Profesor V° B° Profesor Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 25 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos BOMBAS CENTRIFUGAS evaluación de parámetros característicos de operación 1. TEMA Debido al gran desarrollo de la tecnología en la época actual, el ingeniero necesita tener un buen conocimiento de las bombas, pues no hay industria o servicio público que no use equipos de bombeo de un tipo ú otro. Los fluidos se mueven a través de tuberías, aparatos o la atmósfera, por medio de bombas, ventiladores, y compresores. Estos dispositivos aumentan la energía mecánica del fluido. Este aumento de energía puede emplearse para incrementar la velocidad, la presión o la altura dinámica del fluido. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo general: Determinar las características experimentales de una bomba centrífuga en un sistema de tuberías y accesorios. 2.2 Objetivos específicos: a) Calcular la carga hidráulica útil desarrollada por una bomba centrífuga. b) Calcular la potencia útil, potencia al freno, y la eficiencia de una bomba centrífuga. c) Calcular la carga neta de succión positiva, requerida. d) Calcular la distribución de caudales en un sistema de tuberías. 3. ACTIVIDADES DE FUNDAMENTACION TEORICA Realice una adecuada investigación bibliográfica, para que en forma breve y concisa defina los términos siguientes: 3.1 Introducción a las Turbo máquinas. Clasificación de los equipos de bombeo. 3.2 Criterios para la selección correcta de una bomba. 3.3 Bombas centrífugas. Sistemas de bombas en serie, paralelo, y serie-paralelo. 3.4 Carga cinética, carga de presión, carga estática, y carga dinámica total. 3.5 Potencia hidráulica útil HPH, potencia al freno BHP. Eficiencia de una bomba. 3.6 Carga neta de succión positiva NPSH. Cavitación. 3.7 Curvas características de operación de una bomba centrífuga. 3.8 Velocidad específica. Unidades homólogas, reglas de semejanza. 4. ACTIVIDADES DE REALIZACIÓN PRÁCTICA Se procederá a determinar los parámetros característicos de operación para un sistema de bombeo de agua, utilizando una bomba centrífuga, a través de red de tuberías y accesorios. Duración del experimento: 4 horas aprox. 4.1 Equipos y materiales.- el sistema consta de: 1) un banco de bombas centrífugas equipado con tuberías, instrumentación y accesorios varios; 2) fuente de agua limpia; 3) recipiente calibrado; 4) termómetros; 5) cronómetro; 6) multímetro digital; Figura 1. Sistema experimental para evaluación de bombas centrífugas Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 26 Figura 2. Esquema del sistema experimental, banco de bombas centrífugas 4.2 Procedimiento experimental.- realizar los experimentos siguientes: Experimento A: Determinar los parámetros y curvas características operacionales para una bomba centrífuga. Experimento B: Determinar los parámetros y curvas características operacionales para dos bombas centrífugas, conectadas en serie. Experimento C: Determinar los parámetros y curvas características operacionales para dos bombas centrífugas, conectadas en paralelo. Para cualquiera de los casos citados, seguir el procedimiento siguiente: 4.2.1 Antes de comenzar, estudie la ubicación de todas las válvulas (se sugiere establecer una escala de abertura: 20, 40, 60, 80 y 100 %). Familiarícese con la operación del equipo 4.2.2 Inicialmente utilizar tubería A (mantener cerrada la válvula V-B). Luego, proceda a medir los caudales para las diferentes combinaciones de abertura de las válvulas de succión VS-A y descarga VD-A. Así mismo, en forma simultánea debe registrar los valores de presión de succión, presión de descarga, temperatura del fluido, y la potencia eléctrica consumida. 4.2.3 Repetir el procedimiento anterior, ahora utilice la tubería B (debe mantener cerrada la válvula V-A). Efectúe combinaciones apropiadas de las válvulas VS-B y VD-B. 4.2.4 Repetir el mismo procedimiento anterior, utilizando ahora las dos tuberías, válvulas V-A y V-B abiertas. Registre los valores de parámetros operacionales para diferentes combinaciones de las válvulas de succión VS y descarga VD, respectivamente. 4.2.5 Terminado el trabajo experimental, apague el sistema de bombeo. Realice una limpieza general del equipo, desaloje el agua contenida en las tuberías y la bomba centrífuga. 4.3 Datos por consignar.- 4.3.1 Respecto a la bomba centrífuga, y sistema de tuberías: a) Características técnicas de electrobomba: caudal máximo, carga, rpm, potencia, material, etc. b) Material, longitud y diámetros de tubos. c) Características y cantidad de: instrumentos y accesorios. d) Alturas topográficas de referencia. 4.3.2 Medición de caudal y presiones: a) Lectura directa del caudal, utilizando caudalímetro. b) Lectura del tiempo y volumen de agua, en tanque calibrado. c) Lectura de presión de succión y presión de descarga. d) Lectura de temperatura fluido y ambiente, presión atmosférica Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 27 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 4.3.3 Medición de potencia eléctrica consumida por electrobomba a) Medición directa: lectura en vatímetro; b) Medición indirecta: lectura de voltios y amperios. Se sugiere la siguiente planilla para registro de datos: Experimento: Línea de descarga: Dato Abertura (%) caudalímetro Volumen Tiempo Temp, -P P Potencia Nº V-S V.D (m3/Hr) fluido (L) (min) fluido (ºC) succión descarga eléctrica q1 v1 t1 valor 1 10 q2 v2 t2 Ps1 Pd1 w1 cte q3 v5 t5 … … … … … … … … … … q1 v1 t1 valor n 100 q2 v2 t2 Psn Pdn wn cte q3 v5 t5 5. ACTIVIDADES DE EVALUACION 5.1 Cálculos por realizar.- 5.1.1 Utilizando balances de materia y energía mecánica, en estado estacionario para el sistema a través de las tuberías utilizadas, calcular los parámetros operacionales siguientes: a) flujo másico <mº>, velocidad promedio de flujo <V>, y el número de Reynolds Re, en función del caudal <Q>. b) Pérdidas de energía mecánica, en las líneas de succión y de descarga, y las pérdidas totales, respectivamente c) Carga hidráulica debido a: energía cinética Hv, energía de presión Hp, energía potencial Hz. y la carga total HT (Ws). d) Potencia útil HPH, Potencia al freno BHP, y la eficiencia  de la bomba centrífuga como función del caudal Q. e) La carga neta de succión positiva NPSH, requerida, como función de Q f) Velocidad específica, como función del caudal Q y de las rpm del motor. 5.1.2 Para el caso de las dos electrobombas, conectadas en serie y en paralelo, se pide: a) Pérdidas de energía mecánica, en las líneas de succión y de descarga, y las pérdidas totales, respectivamente b) Distribución de caudales por cada línea de descarga. c) Carga hidráulica debido a: energía cinética Hv, energía de presión Hp, energía potencial Hz. y la carga total HT (Ws). 5.2 Gráficos sobre los cuales informar.- Utilice distintos tipos de símbolos para representar los diferentes valores calculados. Además; los puntos experimentales deben ser suavizados mediante una correlación para trazar la curva apropiada. 5.2.1 Grafique, en un diagrama único, las cargas hidraúlicas (HT, Hv, Hp, Hz, hfT, NPSH) como función del caudal Q. 5.2.2 Grafique, en un diagrama único, las potencias (HPH, BHP) como función del caudal Q. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 28 5.2.3 Utilizando escalas apropiadas e independientes en el eje de ordenadas, en un diagrama único, grafique las curvas características (HT, BHP,  ) como función del caudal Q. 5.3 Cuestionario.- 5.3.1 ¿Cuáles son las principales aplicaciones de las bombas centrífugas?. 5.3.2 ¿Qué tipo de bomba recomendaría utilizar para la succión de agua del subsuelo, que se encuentra a una profundidad de 200 metros, y distribuirla en una comunidad? 5.3.3 En función de que potencia varía la cantidad de fluido que regresa de la descarga a la succión. 5.3.4 Para los datos y gráfica experimentas, dos bombas conectadas, interprete los casos siguientes: a) Si ambas bombas se conectan en serie; b) Si ambas bombas se conectan en paralelo. Figura 3. Principio de funcionamiento y Curvas características de una bomba centrífuga DESARROLLO DEL PRESENTACION DEL SUSTENTACION DEL TRABAJO DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO Fecha : Fecha : Fecha : ____________ _____________ _____________ V° B° Profesor V° B° Profesor V° B° Profesor Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 29 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos SEDIMENTACIÓN DISCONTINUA 1. TEMA Frecuentemente es necesario separar los componentes de una mezcla sólido-fluido en fracciones individuales diferenciadas entre sí; por el tamaño, estado y composición química de sus partículas. En la industria, las operaciones de Sedimentación se llevan a cabo en equipos intermitentes o continuos, los cuales reciben el nombre de ESPESADORES. El diseño de un espesador es posible a través de la información obtenida de la Data de Laboratorio en un Proceso intermitente, para nuestro caso se utilizará CaCO3. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo general Evaluar la velocidad de sedimentación de partículas de Carbonato de Calcio en la zona de velocidad constante, útil y necesario a nivel industrial, en tubos verticales e inclinados. 2.2 Objetivos específicos: a) Calcular la velocidad de Sedimentación en tubos de sección circular y cuadrada. b) Comprobar la validez de la Ley de Stokes aplicada a la Sedimentación vertical. c) Comprobar la validez de la teoría de Kinch, ecuación de Nakamura, y la ecuación de Graham-Lama aplicada a la sedimentación inclinada. d) Analizar y comparar la data experimental obtenida con los modelos teóricos. 3. ACTIVIDADES DE FUNDAMENTACION TEORICA Realice una adecuada investigación bibliográfica, y defina en forma breve los conceptos siguientes: 3.1 La mecánica de partículas. 3.2 La sedimentación. Modelos teóricos. 3.3 Procesos de Sedimentación continuos y discontinuos. 3.4 Velocidad de Sedimentación. Características. 3.5 Criterios básicos para el diseño de un sedimentador industrial. 3.6 Principales aplicaciones industriales de la Sedimentación. 4. ACTIVIDADES DE REALIZACIÓN PRÁCTICA Se procederá a determinar la velocidad de sedimentación que tiene lugar cuando se utilizan tubos de sección circular y cuadrada, en posición vertical e inclinada. Duración del experimento: 3 horas aproximadamente. 4.1 Equipos y materiales.- El equipo a emplear consta de: 1) tres probetas graduadas de un litro, de sección circular y cuadrada; 2) un sistema de plano inclinado, con ángulo variable; 4) una balanza; 5) cronómetro; 6) carbonato de calcio; 8) recipientes de plástico varios. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 30 Fig. 1 Equipo experimental de sedimentación 4.2 Procedimiento experimental.- 4.2.1 Ubicar las probetas: en posición vertical; para la posición inclinada se utilizarán ángulos de 30°, 45° y 60°, respectivamente. 4.2.2 Preparar suspensiones de CaO3 de concentraciones 30 gr/L, 80 gr/L y 120 gr/L; para ser utilizadas en la sedimentación vertical e inclinada, respectivamente. 4.2.3 Homogenizar las suspensiones, invirtiendo y agitando vigorosamente la probeta a utilizar, hasta el momento en que se inicie la prueba experimental en la posición predefinida. 4.2.4 Para cada uno de los ensayos a realizar poner a funcionar los cronómetros y registrar varios datos, de variación de la altura de interfase en un determinado intervalo de tiempo; la prueba experimental termina cuando la interfase sólida no desciende. 4.2.5 Concluidas las diferentes mediciones experimentales, correspondientes a cada tipo de esquema, efectuar una limpieza general del equipo utilizado. 4.3 Datos por consignar.- 4.3.1 Sobre la probeta a utilizar. a) tipo de material, y característica geométricas. b) dimensiones de la sección transversal, diámetro o lado, externo e interno. c) dimensiones longitudinales (ó axiales, externo e interno). d) Posicionamiento, o ubicación, angular. 4.3.2 Mediciones experimentales de la sedimentación: a) Registre la variación del tiempo de descenso de la interfase, acumulativo, para un intervalo constante del nivel, hasta llegar a un límite constante de la interfase. b) Presión y Temperatura, del ambiente de trabajo. c) Temperatura del medio solvente, y de la suspensión. Se sugiere la siguiente planilla para registro de datos: Probeta utilizada: sección circular Posición angular: 90° Dato 30 gr/Litro 80 gr/Litro 120 gr/Litro Nº H (cm) T (min) H (cm) T (min) H (cm) T (min) 1 ... N Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 31 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 5. ACTIVIDADES DE EVALUACION 5.1 Cálculos por efectuar.- 5.1.1 Calcule la velocidad de sedimentación como función de valores experimentales, y debe correlacionar estadísticamente; para cada tipo sistema y concentración utilizada. 5.1.2 Calcule la velocidad de sedimentación a partir de los modelos analíticos; para cada tipo de sistema y concentración utilizada.. Además, realice cálculos y análisis de errores. 5.2 Gráficos sobre los cuales informar.- Utilice distintos tipos de símbolos para representar los diferentes valores calculados. Además; los puntos experimentales deben ser suavizados mediante una correlación para trazar la curva apropiada. Para sistemas de igual geometría, posición y diferente concentración (como de igual geometría, concentración y diferente posición), realice las acciones siguientes: 5.2.1 Grafique nivel de descenso H vs. Tiempo. 5.2.2 Grafique Velocidad vs. Concentración, y Log V vs. Log C. 5.3 Cuestionario 5.3.1 ¿Porqué difiere la velocidad de sedimentación para sistemas de igual geometría y diferentes concentraciones? 5.3.2 ¿Porqué difiere la velocidad de sedimentación para sistemas de igual concentración y diferente geometría? 5.3.3 ¿Para sistemas inclinados, es conveniente la medición directa del nivel de descenso H, o es mejor en función de su componente horizontal L?. Indique ventajas y desventajas. 5.3.4 ¿Qué criterios utilizaría para que la suspensión esté mejor homogenizada? ¿Se vería afectado por la agitación, o es mejor un burbujeo de gas inerte? 5.3.5 Explique cómo se debe diseñar un esquema experimental de proceso continuo que se pueda implementar a nivel de Laboratorio. DESARROLLO DEL PRESENTACION DEL SUSTENTACION DEL TRABAJO DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO Fecha : Fecha : Fecha : ____________ _____________ _____________ V° B° Profesor V° B° Profesor V° B° Profesor Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 32 Capítulo II LA TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA 2.1 Conducción de calor transitoria 33 2.2 Intercambiadores de calor: evaluación de parámetros de diseño y operación 36 2.3 Humidificación. enfriamiento de agua en una columna de relleno 40 2.4 Secador de bandejas: evaluación de parámetros operacionales 44 2.5 Destilación binaria discontinua, en una columna de rectificación empacada 46 Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 33 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos Conducción de calor transitoria 1. TEMA Los procesos de conducción de calor transitoria es, en general, más complejo que los de conducción en estado permanente debido a que la temperatura depende, tanto del tiempo, como de la posición. Por tanto; el flujo de calor transitorio es de gran importancia práctica en el diseño ingenieril de los sistemas industriales de calentamiento y enfriamiento. Inicialmente se analizará la transferencia de calor en estado transitorio, para cuerpos sólidos de diferentes geometrías que no poseen fuentes internas de energía, donde la temperatura no sólo depende el tiempo sino que también varía al interior del sistema. Posteriormente, se introducirá un cuerpo sólido en un fluido de menor temperatura, dando una transferencia de calor del sólido al fluido. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo general: Evaluar y analizar experimentalmente la conducción de calor transitoria en cuerpos sólidos, y calcular sus respectivos parámetros característicos de la transferencia de calor. 2.2 Objetivos específicos: a) Comprobar el proceso de transferencia de calor por conducción transitoria. b) Analizar y entender la transferencia de calor en sistemas de capacidad concentrada. c) Utilizar correctamente las cartas adimensionales de Heisler. 3. ACTIVIDADES DE FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA Realice una adecuada investigación bibliográfica, para que en forma clara y concisa defina los conceptos siguientes: 3.1 El calor y la temperatura. 3.2 Fundamentos de la transferencia de calor: leyes y mecanismos. 3.3 Conductividad y difusividad térmica. 3.4 Ecuación general de la conducción de calor. 3.5 Balance de energía para diferentes sistemas coordenados. 3.6 Sistemas de capacidad concentrada. El número de Biot y el número de Fourier. 4. ACTIVIDADES DE REALIZACIÓN PRÁCTICA Se procederá a determinar los parámetros característicos de la transferencia de calor transitoria, utilizando tres (03) cuerpos sólidos de geometría diferentes. Duración experimento: 3 horas aprox. 4.1 Equipos y materiales.- se utilizarán 1) materiales sólidos de ensayo: paralelepípedo, barra cilíndrica y una esfera; 2) cocinilla eléctrica; 3) tres termómetros o termopares; 4) cronómetro; 5) multímetro. Figura 1. Sistema experimental, para transferencia de calor transitoria 4.2 Procedimiento experimental.- realizar los experimentos siguientes: Experimento A: Determinar los parámetros y curvas características experimentales para la velocidad de calentamiento de un cuerpo sólido. 4.2.1 Instalar el sistema, cuerpos sólidos en el soporte universal y sobre la cocinilla eléctrica. 4.2.2 Antes de comenzar, estudie la ubicación de los diferentes puntos de medición de temperatura para cada cuerpo sólido. Medir la temperatura inicial de cada sólido y del aire circundante. Familiarícese con la operación del sistema. 4.2.3 Encender el sistema calefactor, ubicando el controlador de la cocinilla eléctrica en una posición establecida para mantener una temperatura de calentamiento constante. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 34 4.2.4 Registrar datos experimentales, para un intervalo definido – cada 3 ó 5 minutos - procederá a medir y anotar los valores del tiempo transcurrido y las temperaturas puntuales de cada sólido. También la variación de temperatura del medio circundante. La temperatura de calentamiento debe mantenerse constante (función del controlador). 4.2.5 Esta parte del experimento termina cuando la temperatura promedio de calentamiento del sólido alcanza condiciones de equilibrio casi constante, aproximadamente entre una a dos horas (dependiendo de la geometría y masa del sólido). Apagar la cocinilla. Experimento B: Determinar los parámetros y curvas características experimentales para la velocidad de enfriamiento de un cuerpo sólido sumergido en un fluido. 4.2.6 Antes de comenzar, estudie la ubicación apropiada para el fluido de enfriamiento (aire o agua fría). Registrar la temperatura inicial del fluido frío y del aire circundante. 4.2.7 Instalar el sistema, cuerpos sólidos calientes en el soporte universal e inmediatamente antes de sumergirlos en medio fluido debe medir la temperatura inicial de cada sólido. 4.2.8 Registrar datos experimentales, para un intervalo definido – cada 3 ó 5 minutos - procederá a medir y anotar los valores del tiempo transcurrido y las temperaturas puntuales de cada sólido. También la variación de temperatura del fluido de enfriamiento y la temperatura del aire circundante. 4.2.9 Esta parte del experimento termina cuando la temperatura promedio de enfriamiento del sólido alcanza condiciones de equilibrio casi constante, aproximadamente una hora (dependiendo de la geometría y masa del sólido). 4.2.10 Terminado todo el trabajo experimental, desmonte y realice una limpieza general de todos los componentes del sistema. 4.3 Datos por consignar.- 4.3.1 Respecto a los cuerpos sólidos: a) material de construcción, geometría y dimensiones características. b) Distribución de los termopozos. 4.3.2 Medición de tiempo y temperaturas: a) Lectura directa de temperaturas puntuales de cada sólido, en tiempo transcurrido. b) Lectura directa de la temperatura del fluido, aire circundante y del laboratorio. 4.3.3 Respecto al medio calefactor: a) Características técnicas, y potencia eléctrica suministrada al sistema. Se sugiere la siguiente planilla para registro de datos: Experimento: Sólido: Dato Tiempo Temperaturas puntuales del sólido (ºC.) Temperaturas (ºC.) Nº (minutos) T1 T2 Tj Promedio Fluido aire 0 to T1o T2o Tjo T0 Tfo Ta,o  1 t1 T11 T21 Tj1 T1 Tf1 Ta,1  … … … … … … … … n tn T1n T2n Tjn Tn Tfn Ta,n  5. ACTIVIDADES DE EVALUACION 5.1 Cálculos por realizar.- 5.1.1 Construya una tabla representativa de datos experimentales del tiempo, donde registra las temperaturas promedio de cada sólido, del fluido enfriamiento y aire circundante. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 35 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 5.1.2 Construya una tabla la que consignará - para los sólidos y fluidos - las propiedades físicas (densidad, viscosidad, capacidad calorífica, conductividad y difusividad térmica) como función de su temperatura promedio. 5.1.3 Calcular y construir una tabla de parámetros (Temperatura adimensional, Nro Biot, Nro Fourier, Bi*Fo, Prandtl, Nusselt, Grashof), en función de la Temperatura promedio <T>. 5.1.4 Construir una tabla de parámetros (Resistencia interna, Resistencia externa, conductancia, longitud característica), en función de <T> y Temperatura adimensional. 5.1.5 Efectúe balances de energía térmica y calcular flujos de calor: conductivo, convectivo, perdido, y flujo total; para cada sólido. Presentar en una tabla. 5.2 Gráficos sobre los cuales informar.- Utilice distintos tipos de símbolos para representar los diferentes valores calculados. Además; los puntos experimentales deben ser suavizados mediante una correlación para trazar la curva apropiada. : 5.2.1 Grafique, para los sólidos en un diagrama único, Temperatura vs. tiempo. 5.2.2 Grafficar, análogamente en diagrama único, Ln (Temperatura adimensional) vs. Bi*Fo. 5.3 Cuestionario.- 5.3.1 ¿Por qué difieren los tiempos experimentales característicos, en el calentamiento y enfriamiento de los sólidos, para un mismo gradiente de temperatura? 5.3.2 ¿De qué depende el flujo de calor transitorio a través de los cuerpos sólidos? ¿Influye la geometría o la naturaleza del sólido compacto? 5.3.3 ¿Porqué se mide la temperatura del sólido en varios puntos? ¿Qué sucedería si se utilizan sólidos huecos? 5.3.4 ¿Cómo puede verificarse si existen resistencias convectivas significativas? 5.3.5 ¿Cómo explica la analogía existente entre un circuito eléctrico y un circuito térmico, para un sistema de capacidad concentrada? 5.3.6 ¿Los coeficientes de transferencia de calor determinados en esta práctica son locales o promedio? ¿Porqué difieren los valores experimentales con los valores teóricos? 5.3.7 ¿Qué resultados se obtendría si solamente miden las temperaturas del agua y del aire, suponiendo que la única resistencia importante es la de la pared del sólido? 5.3.8 ¿Qué sucedería si se estima necesario agitar el fluido de enfriamiento y el medio circundante? ¿Qué resultados característicos experimentales se obtendría? DESARROLLO DEL PRESENTACION DEL SUSTENTACION DEL TRABAJO DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO Fecha : Fecha : Fecha : ____________ _____________ _____________ V° B° Profesor V° B° Profesor V° B° Profesor Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 36 INTERCAMBIADORES DE CALOR evaluación de parámetros de diseño y operación 1. TEMA Los equipos de intercambio de calor son dispositivos utilizados para transferir calor desde una corriente de un fluido caliente a otra constituida por un fluido más frío, el cual se transfiere a través de las paredes metálicas de los tubos que conforman el equipo (contacto indirecto). Los equipos utilizados para calentar fluidos emplean generalmente vapor de agua como fuente de calentamiento, y para enfriar fluidos emplean usualmente agua como fluido de enfriamiento. Cuando un fluido que circula por un conducto se halla a temperatura distinta de la que poseen sus paredes, se transfiere calor entre uno y otras, transporte que tiene lugar en la interfase sólido-fluido. A éste flujo térmico se lo puede expresar como proporcional al producto del área y a la diferencia de temperaturas, características del sistema. Al factor de proporcionalidad se le denomina coeficiente de transferencia de calor, el cual es función del diámetro y longitud del tubo; así como de la densidad, viscosidad, capacidad calorífica, conductividad térmica y velocidad media del fluido. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo general Verificar la relación existente entre el coeficiente global de transferencia de calor con las características de la tubería y las propiedades físicas del fluido que la circula. 2.2 Objetivos específicos a) Determinar y analizar la velocidad de transferencia de calor, en intercambiadores de calor b) Determinar y analizar los parámetros operacionales característicos involucrados. 3. ACTIVIDADES DE FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA Realice una adecuada investigación bibliográfica, defina en forma clara y concisa los conceptos siguientes: 3.1 Principio de conservación de energía. 3.2 Intercambiadores de calor. Tipos y principales aplicaciones. 3.3 Correlaciones para la transferencia convectiva de calor. Parámetros adimensionales. 3.4 Coeficiente local y global, en el diseño de intercambiadores de calor. 3.5 La transferencia de calor sin cambio de fase, y con cambio de fase. 3.6 Efectividad de un intercambiador de calor. Número de unidades de transferencia. 4. ACTIVIDADES DE REALIZACIÓN PRÁCTICA Se procederá a determinar la transferencia de calor, con y sin cambio de fase, entre dos fluidos que circulan a través de intercambiadores de calor a diferentes temperaturas. Duración del experimento: 4 horas aproximadamente. 4.1 Equipos y materiales.- El sistema experimental a utilizar consta de: 1) un intercambiador de calor de tubos concéntricos; 2) un intercambiador de calor de casco y tubos; 3) generador de vapor y fuente de agua fría; 5) accesorios e instrumentos varios; 6) un cronómetro; 7) termómetros varios; 8) recipientes varios. Figura 1. Sistema experimental integrado Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 37 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos (a) (b) Figura 2. Equipos experimentales: (a) Condensador; (b) intercambiador de tubos concéntricos 4.2 Procedimiento experimental.- realizar los experimentos siguientes: Experimento A: Determinar los parámetros y curvas características experimentales para la transferencia de calor en un condensador de casco y tubos. Experimento B: Determinar los parámetros y curvas características experimentales para la transferencia de calor en un intercambiador de tubos concéntricos. Para cualquiera de los casos citados, se sigue el procedimiento siguiente: 4.2.1 Estudie la ubicación de todas las válvulas, y familiarícese con la operación de los equipos; ver figuras Nº 1(a) y 1(b). Calibre los termómetros antes de iniciar las lecturas de temperaturas respectivas, para ambos fluidos. 4.2.2 Abrir la válvula de ingreso del vapor fijando una abertura % constante, medir su temperatura y presión la que debe mantenerse constante a lo largo de la experiencia, por lo que debe ser continuamente controlada. Esperar unos 5 minutos para permitir que la operación llegue a régimen estable. 4.2.3 Para cada abertura % de la válvula de ingreso del agua fría, registrar las diferentes mediciones de temperaturas y flujo, correspondientes a cada tipo de intercambiador de calor y en las diferentes configuraciones de flujo (co-corriente y contra corriente). 4.2.4 Al concluir la experiencia, cortar primero el flujo de vapor y dejar circulando el agua de enfriamiento durante unos 5 minutos hasta que la temperatura del equipo haya disminuido notablemente. Finalmente apagar todo el sistema, y efectuar una limpieza general del los equipos, desalojando todo el agua de su interior. 4.3 Datos por consignar.- 4.3.1 Sobre los equipos experimentales: d) Tipo de materia del ITC, dimensiones características internas y externas. e) Instrumentación, tipos y número de accesorios f) Características técnicas del generador de vapor, y del sistema de enfriamiento. 4.3.2 Mediciones de flujos y Temperaturas: c) Temperaturas de entrada y salida, para fluidos frío y caliente, respectivamente. d) Temperaturas de la pared externa de intercambiadores, y del aire circundante. e) Presión de vapor, y del flujo de vapor condensado. f) Lectura directa del caudal de agua enfriamiento, usando medidor de orifico. Se sugiere la siguiente planilla para registro de datos: Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 38 Experimento: A Tipo flujo: contracorriente Dato Fluido Frío: agua Fluido caliente: vapor de agua Temp. Super. (ºC) Temperatura Nº Tc,in (ºC) Tc,out (ºC) mc (kg/hr) Th,in (ºC) Th,out (ºC) mh(kg/hr) Ts1 Ts2 aire (ºC) mc1 mh1 1 mc2 mh2 mc3 mh3 … … … … … … … … … … mc1 mh1 n mc2 mh2 mc3 mh3 5. ACTIVIDADES DE EVALUACIÓN 5.1 Cálculos por efectuar.- 5.1.1 Calcule la temperatura promedio de cada fluido, en función del flujo de agua enfriamiento para cada punto experimental. Además, utilizando los valores tabulados de temperatura, determine la Temperatura media Logarítmica (LMTD), correspondiente a cada tipo de flujo. 5.1.2 Construya una tabla en la que consignará las propiedades físicas de los fluidos (densidad, viscosidad, Cp, conductividad térmica) como función de su temperatura promedio. 5.1.3 Calcular y construir una tabla con los números adimensionales característicos (Reynolds, Nusselt, Prandtl, Grashof, Stanton, factor J de Colburn). 5.1.4 Calcular la temperatura superficial, los coeficientes locales h, interno y externo, y el coeficiente global U de transferencia de calor (experimentales y teóricos, incluya el % error de desviación), en función del flujo másico de agua enfriamiento. 5.1.5 Calcular el flujo másico de vapor, generado y recolectado, efectuando balance de materia y de entalpia alrededor de la trampa de vapor. en función del flujo másico de agua fría. 5.1.6 Efectúe balance macroscópico general de energía térmica, considere estado estacionario. 5.1.7 Finalmente, calcular la efectividad y el NUT, en función del flujo másico de agua fría. 5.2 Gráficos sobre los cuales informar.- Utilice distintos juegos de símbolos para representar los diferentes valores experimentales y teóricos calculados. Realice las acciones siguientes: 5.2.1 Graficar el flujo de calor (Qtransferido, Qganado, Qperdido) vs. Mc, flujo másico agua fría. 5.2.2 Grafique las Temperatura (Thot, Tcold, LMTD) vs. Mc, flujo másico fluido frío utilizado. 5.2.3 Graficar U (teórico y experimental) vs. Mc, flujo másico del fluido frío utilizado. 5.2.4 Graficar U (teórico y experimental) vs. (Qg/LMTD). 5.2.5 Grafique Log Nusselt vs. Log Reynolds. 5.2.6 Grafique la relación Log (Nu/Re) vs. Log Prandtl. 5.3 Cuestionario 5.3.1 ¿Son suficientes los datos obtenidos experimentalmente para cumplir todos los objetivos propuestos y obtener todos los resultados pedidos? 5.3.2 ¿Cómo se han desarrollado los modelos o correlaciones para estimar los coeficientes de transferencia de calor para estos sistemas? ¿De qué dependen estos coeficientes? 5.3.3 ¿Porqué difieren los valores calculados de los coeficientes, a partir de los datos experimentales con los modelos teóricos (o correlaciones) utilizados?. ¿Es predominante el efecto de asumir el criterio de analogía con las resistencias eléctricas? 5.3.4 ¿Se verían afectados los cálculos, como por la longitud y diámetro de los tubos que contienen los intercambiadores? Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 39 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 5.3.5 Explique la razón por la cual la rugosidad de la pared de un tubo se pone de manifiesto en el cálculo de la temperatura media de la superficie exterior del intercambiador. Además; cuán importante es para determinar la pérdida de calor hacia el medio ambiente. 5.3.6 ¿Cómo se explica el concepto de temperatura de película para evaluar las pérdidas de calor por convección natural hacia el medio ambiente?. ¿Cómo se pone de manifiesto las pérdidas por radiación, y cómo se determina su coeficiente? 5.3.7 ¿Cómo se explica la variación del número de Reynolds, entre la entrada y salida del intercambiador de calor? ¿Cómo determinaría las pérdidas de carga al interior? 5.3.8 ¿Cuál es la eficiencia del intercambiador operado a cocorriente y a contracorriente, para las mismas condiciones de entrada? Figura 3. Dimensiones referenciales, de equipos experimentales Intercambiador de calor DISTRIBUCIÓN Y MANEJO DE VALVULAS, DEL FLUIDO FRÍO y tipo flujo V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 V12 Casco y tubos, flujo cruzado A A C A C C A C C A C C Tubo concéntrico, flujo co-corriente C C A C A C A C C A C A Tubo concéntrico, flujo contracorriente C C A C A A C C A C C A A: válvula abierta C: válvula cerrada DESARROLLO DEL PRESENTACION DEL SUSTENTACION DEL TRABAJO DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO Fecha : Fecha : Fecha : ____________ _____________ _____________ V° B° Profesor V° B° Profesor V° B° Profesor Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 40 HUMIDIFICACIÓN enfriamiento de agua en una columna rellena 1. TEMA La humidificación es una operación unitaria en la que tiene lugar una transferencia simultánea de calor y masa, sin presencia de una fuente de calor externa, que ocurre en una columna rellena utilizando agua caliente que se pone en contacto con aire seco o poco húmedo, ambos circulando en contracorriente. Esta transferencia simultánea hacia el interior de la corriente gaseosa tiene lugar por difusión a través de la interfase, dando como resultado que el líquido cede calor a la interface, enfriándose también y el gas se humidifica, calentándose. 2. OBJETIVOS 2.1. Objetivo General Humidificar una corriente de aire ambiental, empleando un líquido caliente, el cual se enfriará (transferencia simultanea de calor y masa). 2.2. Objetivos Específicos a) Realizar una correcta instalación de dispositivos, circuitos, tuberías y accesorios en la columna de humidificación. b) Exponer los fundamentos teóricos de la operación unitaria de humidificación por enfriamiento. c) Mostrar el efecto de los parámetros más importantes sobre la operación de humidificación. 3. ACTIVIDADES DE FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA Realice una adecuada investigación bibliográfica, definir en forma concisa y explicativa los conceptos siguientes: 3.1. Fundamentos de la humidificación. Operaciones Gas-Líquido: procesos de humidificación 3.2. Psicrometría. Definiciones básicas de las variables psicrométricas. 3.3. El balance de materia y energía para la mezcla aire-agua. La carta psicrométrica. 3.4. La saturación adiabática. Número de Lewis. 3.5. El método del potencial entálpico. 3.6. Índice de rendimiento del bulbo húmedo. Eficiencia térmica y calor disipado. 4. ACTIVIDADES DE REALIZACIÓN PRÁCTICA Se procederá a efectuar la humidificación del aire (agua caliente) utilizando la columna de humidificación: duración del experimento: 3 horas aproximadamente. 4.1 Equipos y Materiales.- El sistema experimental a emplear consta de: 1) Una columna de humidificación, equipada con instrumentos de medición de flujo y temperatura; 2) sistema de calentamiento y bombeo de agua limpia; 3) sistema de suministro de aire; 4) cronómetros; 5) multímetro; 6) accesorios, y recipientes, varios. Figura 1. Sistema experimental, columna multipropósito 4.2 Procedimiento experimental 4.2.5 Antes de comenzar, estudie la distribución y manejo de instrumentos para la medición experimental de la temperatura y flujos, del aire y agua, en la columna multipropósito, y del tablero de control. Familiarícese con la operación del sistema. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 41 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 4.2.6 Encender el sistema calefactor de agua, contenida en el recipiente –la mitad de su volumen total y que debe mantenerse siempre cerrado- es calentado por una resistencia eléctrica hasta llegar a una temperatura de 60 ºC aprox. en un tiempo de 30 minutos. Luego se desconecta la resistencia eléctrica, que es controlada desde el tablero. NO INTRODUCIR LA MANO EN EL TANQUE DE CALENTAMIENTO, CUANDO ESTA ENCENDIDO LA RESISTENCIA, PORQUE PUEDE SUFRIR UNA DESCARGA ELÉCTRICA. 4.2.7 Encender el sistema de suministro de aire, en forma paralela a la actividad anterior, se enciende el compresor de aire hasta llegar a almacenar su capacidad indicada en tanque, en un tiempo de cinco (05) minutos aprox. Luego se desconecta el compresor. 4.2.8 Una vez almacenado el aire y agua caliente, encender la electrobomba para conducir el agua caliente hasta la parte superior de la columna de humidificación. 4.2.9 Registrar datos experimentales, para un flujo definido de agua y de aire- procederá a medir en el tablero y anotar los valores de las diferentes temperaturas experimentales del agua a lo largo de la columna. Simultáneamente debe medir las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo del aire a la entrada y a la salida de la columna. 4.2.10 Medir la temperatura del agua en tanque de calentamiento, si el valor está por debajo de 30ºC, volver a calentarlo según se indica en 4.2.3. Al concluir la experiencia, apagar todo el sistema, y efectuar una limpieza general del los equipos, desalojando todo el agua y aire de su interior. 4.3 Datos por consignar: 4.3.1 Sobre el equipo experimental: a) Tipo de material, relleno, dimensiones físicas -internas y externas- del humidificador. b) Características técnicas del sistema calefactor y de la compresora. c) Tipo de accesorios e instrumentos, y sus respectivos rangos operacionales 4.3.2 Mediciones de variables a medir: a) Flujo volumétrico, temperaturas – de bulbo seco y bulbo húmedo- del aire a la entrada y a la salida de columna rellena de humidificación. b) Flujo volumétrico y distribución de temperaturas del agua caliente, en la columna rellena de humidificación. Se sugiere la siguiente planilla para registro de datos: Flujos Temp. agua (ºC) Temperatura del aire (ºC) Temperaturas (ºC) en columna agua aire Entrada Salida Tbs,in Tbh,in Tbs,out Tbh,out Ts10 Ts11 Ts12 … Ts18 Ts19 Ts20 2 4 … 12 5. ACTIVIDADES DE EVALUACIÓN 5.1. Cálculos por realizar 5.1.1 Calcular las propiedades psicrométricas, para el aire de entrada y salida. 5.1.2 Desarrollar el balance simultáneo de materia y energía para el humidificador. 5.1.3 Calcular el coeficiente psicrométrico. La temperatura de saturación adiabática. 5.1.4 Calcular las propiedades psicrométricas en condiciones de saturación adiabática. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 42 5.1.5 Calcular la entalpía del líquido, entalpía del gas saturado y el potencial entálpico, como una función de la distribución de temperaturas del líquido en el rango de enfriamiento experimental. 5.1.6 Calcular la altura del elemento de transmisión, el Notg y altura total de empaque. 5.1.7 Calcular el índice de rendimiento, la eficiencia térmica y el calor disipado. 5.1.8 Calcular los coeficientes locales y globales de la transferencia de masa para la humidificación. 5.2. Gráficos sobre los cuales informar Utilice distintos juegos de símbolos para representar los diferentes valores experimentales y teóricos calculados. Realice las acciones siguientes: 5.2.1 Graficar los datos experimentales de la mezcla aire-agua en la carta psicrométrica. 5.2.2 Graficar en diagrama único, las entalpias de saturación liquido-vapor en función de la temperatura del liquido; es decir, iL vs. t L , y, iG vs. t L . Interpretar. 1 5.2.3 Graficar el potencial entálpico vs t L , temperatura del líquido, indicar que iL  i G significa el área bajo la curva. 1 5.2.4 Graficar el potencial entálpico vs. iG , entalpía del aire saturado, indicar iL  i G que significa el área bajo la curva. 5.3. Cuestionario 5.3.1 ¿Son suficientes los datos obtenidos experimentalmente para cumplir todos los objetivos propuestos y obtener todos los resultados pedidos? 5.3.2 ¿Cómo se han desarrollado los modelos o correlaciones para estimar los coeficientes de transferencia de masa y entalpía para estos sistemas? ¿De qué dependen estos coeficientes? 5.3.3 ¿Por qué difieren los valores calculados de los coeficientes, a partir de los datos experimentales con los modelos teóricos (o correlaciones) utilizados? 5.3.4 ¿Cuáles son las condiciones de interfase para la mezcla aire.agua? 5.3.5 ¿Cómo afectan al proceso difusivo las burbujeos y canalizaciones en el relleno? DESARROLLO DEL PRESENTACION DEL SUSTENTACION DEL TRABAJO DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO Fecha : Fecha : Fecha : ____________ _____________ _____________ V° B° Profesor V° B° Profesor V° B° Profesor Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 43 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos Recorrido 288 cm 50c 133cm 60cm Distancia de los sensores 22*4c 10cm 139 cm Columna rellena con 42cm Rotámetro de anillos raschig agua 35cm Tablero de control 10*3cm Rotámetro 193cm de aire 50*110cm Bomba 60cm 130cm 58*171cm Ventilador C Recipiente para calentamiento de agua COLUMNA Relleno: anillos raschig. Cantidad de anillos : 2773 Medida del anillo: 1.3x0.8 cm Figura 2. Dimensiones referenciales, y características técnicas del equipo experimental Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 44 SECADOR DE BANDEJAS evaluación de parámetros operacionales 1. TEMA El estudio de la operación de secado es de trascendental importancia en la Ingeniería Química; consiste en la remoción de líquido (humedad libre) de una sustancia. El secado es un fenómeno complejo que involucra la transferencia simultánea de calor y materia (el transporte de calor hacia dentro del material y el transporte de agua hacia el exterior). La transferencia de masa ocurre cuando el sólido pierde humedad y la transferencia de calor se verifica cuando el medio ambiente (aire) entrega calor al sólido, el que se emplea en la evaporación del agua que se va incorporando al aire a medida que transcurre el proceso de secado. Una de las formas usuales de secado consiste en hacer circular una corriente de aire caliente por sobre el material a secar. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General Conocer y evaluar los principios básicos de la operación de secado, mediante el uso de un secador de bandejas que opera por lotes, a nivel de laboratorio 2.2 Objetivos Específicos a) Determinar la velocidad de secado, para diferentes valores de los parámetros del aire y diferentes propiedades de los sólidos. b) Verificar experimentalmente la influencia de la temperatura y la humedad del aire en la intensidad del secado. c) Elaborar las curvas características de secado, a partir de datos obtenidos en diversas condiciones externas constantes. d) Calcular los coeficientes de transferencia simultánea de calor y masa, de la operación de secado, a través de balances de energía y masa. 3. ACTIVIDADES DE FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA Realice una adecuada investigación bibliográfica, definir en forma concisa y explicativa los conceptos siguientes: 3.1 Operación de secado: fundamentos, y principales aplicaciones. 3.2 La humedad: concepto, tipos y métodos de cálculo. 3.3 Cinética del secado: concepto, periodos y métodos de cálculo. 3.4 Mecanismo de secado: la transferencia simultánea de calor y masa. 3.5 Equipos para secado. Tipos y principales características técnicas. 4. ACTIVIDADES DE REALIZACIÓN PRÁCTICA Se utilizará un secador de bandejas batch, para material particulado, el que permite controlar la velocidad del aire - impulsado por un ventilador, el flujo se mide usando manómetro diferencial – y su temperatura de calentamiento mediante resistencia eléctrica. Además; tiene sensores de temperatura, una balanza digital que permite registrar en el tiempo la masa del sólido y su pérdida de humedad. Por lo tanto es posible obtener la velocidad de secado, la cantidad de agua evaporada y la humedad relativa del aire. Duración del experimento: 4 horas aproximadamente. 4.1 Equipos y materiales.- el equipo experimental secador de bandejas, ver figura 1, está constituido por: 1) cámara de secado; 2) bandejas; 3) manómetro diferencial; 4) tablero de control; 5) ventilador; 6) cronómetro; 7) balanza digital;. 8) y 9) sensores para temperatura del aire. El arreglo final de estos componentes es característico en cada tipo de secador. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 45 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos Figura 1. Equipo experimental de secado, con bandejas 4.2 Procedimiento experimental.- Se puede realizar 03 (tres) experimentos: Experimento A: Obtener curvas características operacionales de un material sólido húmedo, a temperatura de secado constante y humedad (inicial y final) establecidas. Experimento B: Investigar la influencia del tamaño de partícula de un material sólido húmedo al ser secado. Experimento C: Investigar la influencia del flujo de aire en la velocidad de secado de un material húmedo. Para cualquiera de los casos citados, se sigue el procedimiento siguiente: 4.2.1 Encender el ventilador (soplador de aire). A continuación, determinar en el manómetro la caída de Presión máxima del sistema, cerrando el damper de tubería principal y abriendo el damper en tubo secundario. Con ésta información, establecer el flujo de aire necesario -que debe permanecer constante- regulando la posición de los damper primario y secundario. 4.2.2 Encender el sistema calefactor de aire, utilizando el controlador fijar a una temperatura establecida. Determinar las temperaturas de entrada y salida de la cámara de secado, hasta llegar a condiciones de estado estacionario (aproximadamente demora 20-30 minutos), alcanzada la temperatura de equilibrio recién se procederá a cargar el material a secar. 4.2.3 Preparar el material a secar. Pesar una cantidad significativa del material, limpio y tamizado. La capacidad máxima de la balanza digital es de 1.00 kg. Si el material está completamente seco, debe humedecerse con agua en una proporción 15-20% del peso total (p. ej.: 0.400 Kg. material seco + 100 ml. de agua) y mezclar hasta homogenización, posteriormente se esparce uniformemente en la bandeja experimental. Finalmente debe introducir la bandeja con el material húmedo al secador, previamente calentado. 4.2.4 Registrar datos experimentales, con intervalo definido –cada 3 ó 5 minutos- procederá a pesar la muestra, anotar valores de tiempo transcurrido y masa húmeda (el equilibrio se alcanzará en 4 horas aprox. si se utiliza arena fina). Simultáneamente registrar temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo del aire, a la entrada y salida del secador. También variación del manómetro, para calcular la velocidad del aire ingresado. La temperatura dentro de la cámara de secado deberá mantenerse constante (es función del controlador). 4.2.5 Se recomienda trabajar con bastante cuidado para obtener precisión de los Datos experimentales a recopilarse durante la prueba. Por tanto; debe tenerse preparado toda la instrumentación (cronómetro, termómetros, hoja de datos, etc.), UNA VEZ INICIADO EL EXPERIMENTO NO HAY RETORNO. 4.2.6 Terminado el trabajo experimental, APAGAR PRIMERO EL SISTEMA DE CALEFACCIÓN ELÉCTRICA, después de 3 minutos apagar el ventilador. FINALMENTE REALIZAR LIMPIEZA GENERAL DEL EQUIPO. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 46 4.3 Datos por consignar.- 4.3.1 Sobre el equipo experimental, y material húmedo: a) Tipo de material y dimensiones físicas -internas y externas- del secador, ductos, cámara de secado y las bandejas (o charolas). b) Tipo de ventilador, y sus características técnicas. c) Tipo de accesorios e instrumentos, y su respectivo rango operacional. d) Tipo de material a secar utilizado, textura y granulometría. e) Peso de material a secar, y de cantidad de agua agregada (en caso de ser necesario, si la muestra está completamente seca). 4.3.2 Mediciones del flujo y la temperatura del aire: f) Tipo de fluido manométrico, temperatura y altura alcanzada ∆H. g) Lectura de la temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo, a la entrada y salida, de la cámara de secado. Se sugiere utilizar la siguiente planilla para registro de datos experimentales: Temperatura del aire (ºC) Temperatura secado (ºC) Dato Tiempo Masa manómetro Nº (min.) total (gr) ∆H. (mm) Tbs,in Tbh,in Tbs,out Tbh,out Cámara controlador 0 0 wo Tbsi,o Tbhi,o Tbso,o Tbho,o Th,o Tc,o  ho 1 5 w1 Tbsi,1 Tbhi,1 Tbso,1 Tbho,1 Th,1 Tc,1  h1 … 10 …. … … … … …  …  h2 n ‐‐‐  w,cte  Tbsi,n Tbhi,n Tbso,n Tbho,n Th,n  Tc,n  hn  5. ACTIVIDADES DE EVALUACIÓN 5.1. Cálculos por efectuar.- Analizar e interpretar resultados obtenidos 5.1.1 Calcular la velocidad máxima, velocidad promedio, Número de Reynolds, y el flujo másico <Gº> del aire utilizado; usando relación manométrica y la variación de altura del fluido manométrico. Asumir Co= 0.62, para placa. 5.1.2 Para la cinética del secado, calcular: humedad libre, humedad en base seca X, humedad crítica y de equilibrio, velocidad de secado N = (- dX/dt). 5.1.3 Calcular velocidad de secado y tiempo requerido, para cada periodo. 5.1.4 Calcular todas las propiedades psicrométricas de la mezcla aire-agua, con los datos experimentales de temperatura de bulbo seco y húmedo. 5.1.5 Calcular la temperatura húmeda y temperatura de saturación adiabática, en la cámara de secado. 5.1.6 Calcular la cantidad de calor suministrado al aire: etapa de pre-calefacción, etapa de re-calentamiento, y, calor total. 5.1.7 Calcular los coeficientes de transferencia de calor hc y transferencia de masa ky, el coeficiente psicrométrico (hc/ky) y el número de Lewis. 5.2. Gráficos sobre los cuales informar.- Utilice distintos juegos de símbolos para representar los diferentes valores experimentales y teóricos calculados. Efectúe las acciones siguientes: Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 47 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 5.2.1 Respecto al uso de la carta psicrométrica: (en una sola gráfica) e) Ubicar los valores experimentales de temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo. Temperatura de rocío, y de saturación adiabática. f) Ubicar los valores experimentales de la humedad relativa y absoluta del aire, inicial y final. g) Trazar el recorrido del aire utilizado, en el secador, indicando etapas de pre- calentamiento y re-calentamiento. 5.2.2 Respecto a la cinética del secado, graficar: a) Humedad X (en base seca, del material) en función del tiempo, X vs. t b) Velocidad de secado N = (- dX/dt) vs. humedad X. Ubicar los periodos de secado, valores de humedad crítica y humedad de equilibrio. c) La inversa de velocidad de secado (1/N ) vs. X. Interpretar. 5.3. Cuestionario (cada respuesta debe estar convenientemente justificada) 5.3.1 ¿La velocidad y la dirección de flujo del aire tiene una influencia directa sobre los periodos de secado? ¿También influye sobre el contenido de humedad critico Xc o el contenido de humedad en el equilibrio Xeq ? 5.3.2 ¿Qué efecto tendría el tamaño de partícula, y/o la textura del material utilizado, en el contenido de la humedad de equilibrio Xeq? 5.3.3 ¿Cuál es el significado físico, e importancia, de humedad en el equilibrio? ¿Qué valor experimental alcanzó, en caso contrario, explicar por que no llegó a éste valor? 5.3.4 ¿Cuál es el significado de Número de Lewis? ¿Cómo se aplica para el trabajo experimental desarrollado? 5.3.5 ¿Qué entiende por saturación adiabática? ¿Cómo se calcula sus valores? DESARROLLO DEL PRESENTACION DEL SUSTENTACION DEL TRABAJO DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO Fecha : Fecha : Fecha : ____________ _____________ _____________ V° B° Profesor V° B° Profesor V° B° Profesor Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 48 DESTILACIÓN BINARIA DISCONTINUA en una columna de rectificación empacada 1. TEMA Cuando se desean separar compuestos, de una mezcla binaria y/o multicomponentes, que tienen diferentes presiones de vapor a una temperatura determinada se emplea la Destilación. Si se calienta una mezcla líquida de dos materiales volátiles, el vapor que se separa tendrá una mayor concentración del material de menor punto de ebullición que el líquido del cual se desprendió. A la inversa, si se enfría un vapor caliente, el material de mayor punto de ebullición tiende a condensarse en mayor proporción que el material de menor punto de ebullición. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General Verificar la separación física de una mezcla en dos o más fracciones que tienen diferentes puntos de ebullición, a una presión determinada. 2.2 Objetivos Específicos a) Desarrollar los principios fundamentales y las relaciones necesarias para efectuar los cálculos de una destilación binaria, batch. b) Calcular la Temperatura de burbuja, y la Temperatura de Rocío. c) Calcular la relación de equilibrio Líquido-Vapor. d) Calcular las etapas de equilibrio necesarias, en condiciones de reflujo mínimo, y reflujo total. 3. ACTIVIDADES DE FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA Realice una adecuada investigación bibliográfica, definir en forma concisa y explicativa los conceptos siguientes: 3.1 Fundamentos de la Destilación. Tipos. Principales aplicaciones. 3.2 Relación de equilibrio termodinámico Líquido-Vapor. 3.3 Coeficiente local, y Global en la Transferencia de masa. 3.4 Mezcla azeotrópica. Criterios de separación. 3.5 Criterios y relaciones básicas para una Destilación Batch. 4. ACTIVIDADES DE REALIZACIÓN PRÁCTICA Se procederá a efectuar la separación de una mezcla binaria (alcohol- agua) utilizando una columna de destilación batch. Duración del experimento: 3 horas aproximadamente. 4.1 Equipos y materiales.- El equipo a emplear consta de: 1) una columna de destilación batch, equipada con instrumental y accesorios; 2)fuente de agua fría; 5) recipiente calibrado, o una probeta, para medir caudal; 6) cronómetro; 7) cuatro (04) termómetros; 8) muestra a destilar (p.ej.: tres (03) litros de agua y un (01) litro de alcohol); 9) un alcoholímetro;10) recipientes de plástico, varios. Figura 1. Equipo experimental de destilación batch, con columna rellena Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 49 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 4.2 Procedimiento experimental.- 4.2.1 Estudie la ubicación de las válvulas, y familiarícese con la operación del equipo. 4.2.2 Cargar la mezcla a destilar, en el balón (boiler, capacidad máxima 12 litros). 4.2.3 Encender la resistencia eléctrica, y desde ése momento tomar el tiempo en que la mezcla llega a ebullición, ver termómetro en el niple. Esta información es necesaria para determinar las pérdidas caloríficas en el hervidor, se conoce valor teórico (potencia eléctrica). 4.2.4 Registrar el tiempo en que el vapor demora en atravesar la columna empacada. 4.2.5 Esperar que el sistema alcance el equilibrio; esto ocurre cuando las temperaturas del fondo y en el tope son iguales, manteniéndose constante. Para lograr esto, se debe operar a reflujo total (debe cerrar la válvula del destilado y abrir la válvula de reflujo). 4.2.6 Después de alcanzar el equilibrio, se abre la válvula para iniciar la operación de destilado, anotando las temperaturas iniciales del tope y el fondo. Inicialmente la temperatura del tope se mantendrá constante, mientras que la del fondo se irá incrementando debido a que la concentración alcohólica irá disminuyendo; se debe registrar los volúmenes de destilado y la temperatura respectiva (así mismo, debe medirse la concentración alcohólica). Con las válvulas se puede ir regulando los flujos de destilado y de reflujo. 4.2.7 Determinar el flujo máximo que alcanza el sistema; para tal efecto debe cerrar totalmente la válvula de reflujo y recolectar un cierto volumen de destilado en una unidad de tiempo requerido. 4.2.8 La operación de destilación, en el laboratorio, debe terminar cuando la temperatura del tope se incrementa y comienza a superar la temperatura de ebullición del componente más volátil; (p.ej.: la temperatura de ebullición del etanol es 78°C, se puede detener la operación cuando el sistema alcanza 80°C) 4.2.9 El equipo opera como un sistema abierto, por tanto debe determinar la presión. 4.2.10 Terminado el trabajo, item 4.2.8, desconectar la resistencia eléctrica y esperar un tiempo prudencial de enfriamiento para efectuar una limpieza del equipo. 4.3 Datos por consignar.- 4.3.1 Sobre la columna de destilación, y sistemas auxiliares: a) Tipo de material, dimensiones y capacidad. b) Características y cantidad, de instrumentación y accesorios. c) Tipo de material relleno y longitud del lecho empacado. d) Características técnicas del sistema de enfriamiento. e) Características y potencia eléctrica del hervidor 4.3.2 Características de la mezcla binaria: a) Volúmenes iniciales utilizados, de cada componente. b) Composición inicial, usando alcoholímetro. c) Temperatura inicial, de la mezcla binaria. 4.3.3 Mediciones de flujos y Temperatura, en los condensadores: a) Leer y registrar el flujo, del agua de enfriamiento, usando rotámetro. b) Lectura y registro de las temperaturas de entrada y salida, del agua de enfriamiento en el condensador. c) Lectura y registro de la temperatura superficial, en condensador y columna. d) Lectura y registro de las condiciones ambientales del laboratorio. 4.3.4 Mediciones del flujo, temperatura y composición, del destilado y fondos: a) Lectura del tiempo acumulativo, para el volumen de muestras recolectadas. b) Lectura y registro inmediato de la temperatura, para las muestras recolectadas. c) Determinación de la composición, de muestras recolectadas, usando alcoholímetro. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 50 Se sugiere la siguiente planilla para registro de datos: ALIMENTACIÒN DESTILADO FONDOS Dato Nº Temp. Volumen Comp. Temp. Flujo Comp. Temp. Flujo Comp. (ºC) (Litros) (ºGL) (ºC) (mL/seg) (ºGL) (ºC) (ml/seg) (ºGL) 0 Tao Vao Cao Tdo Fdo Cdo Tfo Ffo Cfo 1 … … … … … … … … … … n Tan Van Can Tdn Fdn Cdn Tfn Ffn Cfn 5. ACTIVIDADES DE EVALUACIÓN 5.1 Cálculos por efectuar.- 5.1.1 Construya una tabla resumida en la que consignará las propiedades físicas de los fluidos (densidad, viscosidad, Cp, conductividad térmica, presión de vapor) como función de su temperatura promedio. 5.1.2 Calcular la relación de equilibrio líquido-vapor, y comparar con la data científica. 5.1.3 Calcule la temperatura de burbuja y de rocío, para cada composición. 5.1.4 Calcular el número de etapas de equilibrio, y también para reflujo máximo y mínimo 5.1.5 Desarrollar los balances de materia y energía para el sistema, tener en cuenta que es una operación discontinua (batch). 5.1.6 Determinar el coeficiente local y global de la transferencia de masa. 5.2 Gráficos sobre los cuales informar.- Utilice distintos juegos de símbolos para representar los diferentes valores experimentales y teóricos calculados. Realice las acciones siguientes: 5.2.1 Grafique T vs. x, y. (en un diagrama único, los datos téoricos y experimentales) 5.2.2 Grafique la relación de equilibrio líquido-vapor, Y vs. X, e indicar las etapas de equilibrio para las condiciones de operación real. 5.2.3 Análogamente al caso anterior, ahora debe considerar las condiciones de reflujo máximo y mínimo. 5.3 Cuestionario 5.3.1 ¿Porqué difieren los valores de la presión de vapor, y de la presión parcial?. 5.3.2 ¿Es predominante el efecto de asumir el criterio de idealidad con la Ley de Raoult? ¿Qué precisión se tendrá cuando se usan otros modelos para determinar los cálculos del equilibrio VLE?. ¿Se verían afectados los cálculos, y cuál es la magnitud? 5.3.3 Explique qué fase, de una sustancia o mezcla, se presentará en el punto crítico. 5.3.4 ¿Cómo se explica los conceptos de Destilación Extractiva, y Destilación Reactiva?. 5.3.5 ¿Cómo se explica la variación del comportamiento de vapores condensables y no- condensables? Mencione ejemplos ilustrativos. 5.3.6 Muchas columnas de destilación se diseñan de modo que resistan una presión de 25-50 psig. La caldera de reflujo en la parte inferior de la columna es el lugar donde se aplica calor para vaporizar el fluido de la columna.. Qué recomendaría en cuanto al tipo de fuente de calor, si las opciones son: a) Vapor de agua (intercambiador de calor); b) Calentador de combustión (análogo a una caldera normal); y c) Aceite caliente (intercambiador de calor)? Fundamente su respuesta. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 51 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos DESARROLLO DEL PRESENTACION DEL SUSTENTACION DEL TRABAJO DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO INFORME DE LABORATORIO Fecha : Fecha : Fecha : ____________ _____________ _____________ V° B° Profesor V° B° Profesor V° B° Profesor Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 52 ANEXOS A.1 Referencias bibliográficas 51 A.2 Referencias electrónicas: enlaces de interés. 53 A.3 Dimensiones estándares para tuberías de acero comercial 55 A.4 Propiedades y correlaciones termodinámicas, para vapor y compuestos varios 56 Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 53 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos A.1 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS PARA INGENIERÍA QUÍMICA A.1.1 OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MOMENTUM, CALOR Y MASA:  BENNET C.O., MYERS J.E.; Transferencia de Cantidad de Movimiento, Calor y Masa; Editorial Reverté S. A.; España, 1988.  BIRD, Robert B., y otros; Fenómenos de Transporte; Editorial Alhambra S. A.; España, ed. 2002.  BRANAN J. Carl; Soluciones prácticas para el Ingeniero Químico; Editorial Mc Graw Hill; México, 2001.  BROWN G.; Operaciones Básicas en Ingeniería Química; Edit. Marín S.A.; España, 1990.  CRANE Co., División de Ingeniería; Flujo de Fluidos: en válvulas y accesorios; Editorial Mc Graw Hill; México; 2005.  CROSBY, E. J.; Experimentos sobre Fenómenos de Transporte en Operaciones Unitarias de la Industria Química; Editorial Hispano Americana S.A.; Bs. Aires, Argentina; 1968.  FOUST, Alan, WENZEL, Leonard, y otros; Principios de Operaciones Unitarias; Editorial CECSA, 5º edición; México; 2002.  FOX, Robert, y Mc DONALD, Alan; Introducción a la Mecánica de los Fluidos; Editorial InterAmericana; México; 1998.  GEANKOPLIS Christie; Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias; Editorial CECSA; México; 2003.  GERHART, Phillips; Fundamentos de la Mecánica de Fluidos; Editorial Mc Graw Hills, 8va. edición, México; 2005.  HENLEY E.J., SEADER J.D.; Operaciones de Separación por Etapas de Equilibrio en Ingeniería Química; Editorial Reverté S.A.; España, 2005.  HOLLAND, Charles; Fundamentos de Destilación de Mezclas Multicomponentes; Editorial Limusa; México; 1992.  INCROPERA F., DE WITT D.; Fundamentos de Transferencia de Calor; Editorial Prentice Hall; México; 1999.  JIMENEZ ESCOBEDO, Manuel José; Simulación de Experimentos del Laboratorio de Operaciones Unitarias, utilizando un Computador Personal; Tesis para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico, Universidad Nacional Mayor de San Marcos; Lima-Perú, Diciembre 1996.  JIMENEZ ESCOBEDO, Manuel José; LABORATORIO DE TERMOFLUIDOS: Manual de Experimentos; Universidad Nacional del Santa; Chimbote - Perú; 1997.  KERN, Donald; Procesos de Transferencia de Calor; Editorial CECSA; México; 2001.  KREITH F., BOHN M.; Principios de Transferencia de Calor; 6º ed., Editorial THOMSON LEARNING; México; 2002.  LEVENSPIEL Octave; Flujo de Fluidos e Intercambio de Calor; Ed Revereté S.A.; España; 1996.  MC CABE W., J. SMITH, P. HARRIOT. "Unit Operations of Chemical Engineering" (7th Edition). Mc Graw Hill's.(2005)  STREETER, V., WYLE, B.; Mecánica de los Fluidos; Editora Mc Graw Hills; México; 2001.  OCON, Joaquín, y TOJO, Gabriel; Problemas de Ingeniería Química: operaciones básicas; Editorial Aguilar S.A.; España; 1972.  PÉREZ RINCÓN, E. y SORIA, A., 1982. Prácticas de Fenómenos de Transporte I, Universidad Autónoma Metropolitana- Iztapalapa; México, 2005..  SHAMES, Irving; La Mecánica de los Fluidos; Editorial Mc Graw Hill; México; 2004.  TREYBAL, Robert; Operaciones de Transferencia de Masa; Edit. Mc Graw Hill, México; 1982.  WELTY, James; Fundamentos de Transferencia de Momento, Calor y Masa; Editorial Limusa; México; 2000.  ZIMMERMAN, O., y LAVINE, Irvin; Chemical Engineering Laboratory Equipment; 2º edición; Industrial Research Service Inc.; New Hampshire; 1955.  ZUBICARAY, Manuel V.; Bombas: Teoría y problemas; Editorial Limusa; México; 2000. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 54 A.1.2 OTRAS PUBLICACIONES COMPLEMENTARIAS:  AUSTIN H.; La Industria Química; Editorial Prentice Hall; México, 1990.  CARNAHAN, Brice, LUTHER H. A.; Applied Numerical Methods; Editorial Jhon Wiley, 2º edición; New York; 1969.  CHAPRA, S., CANALE, R.; Métodos Numéricos para Ingenieros; Mc Graw Hill; México; 2005.  CHOPEY P. Nicolás; Manual de Cálculos de Ingeniería Química; Editorial Mc Graw Hill; México, 2001.  CONSTANTINIDES, Alkis; Applied Numerical With Personal Computers; Editorial Mc Graw Hills; N.Y., 2002.  FELDER, Richard, y ROUSSEAU, Ronald; Principios Básicos de los Procesos Químicos; Editorial El Manual Moderno S.A.; México; 2003.  HIMMELBLAU David; Principios básicos y cálculos en Ingeniería Química; Prentice Hall; 7º ed., México, 2001.  HIMMELBLAU, David, y EDGAR, B..; Optimization of Chemical Processes; Editorial Mc Graw Hills; New York; 1983.  HOLLAND, Charles; Fundamentos y Modelos de Procesos de Separación; Editorial Prentice Hall International.; España; 1988.  HOUGEN, Olaf A., WATSON, Kenneth M., y RAGATZ, R.A.; Principios de los Procesos Químicos; Editorial Reverté S.A.; España; 1988.  JIMÉNEZ Arturo; Diseño de Procesos en Ingeniería Químicas, Editorial Reverté S.A., España, 2003.  KIRK H., OTHMER O.; Enciclopedia de la Tecnología Química; Edit. 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Madrid (2004)  MURPHY Regina M.; Introducción a los Procesos Químicos: principios, análisis y síntesis; Editorial Mc Graw Hill; 1ra edición, México, 2007.  NAKAMURA, Shoichiro; Métodos Numéricos aplicados con Software; Editorial Prentice Hall HispanoAmericana S.A.; México; 2002.  PERRY, R.,y CHILTON, C.; Manual del Ingeniero Químico; Editorial Mc Graw Hills; edición de platino; México; 1998.  PRAUSNITZ J.M., LICHTENTHALER R., GOMES DE AZEVEDO E.; Termodinámica Molecular de los Equilibrios de Fases; Editorial Prentice Hall; España, 2001.  REID R.C., PRAUSNITZ J.M., POLING B.E.; Propiedades de los gases y líquidos; Editorial UTEHA; México, 1990.  SANDLER Stanley.; Chemical, Biochemical, and Engineering Thermodynamics; 4 ed., Jhon Wiley & Sons Inc.; U.S.A., 2006.  SMITH, J., VAN NESS, H., ABBOTT M.; Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química; Editorial Mc Graw Hill; México; 2007.  WARK Kenneth Jr.; Termodinámica; 6º edición, Editorial Mc Graw Hill; México; 2000.  TURTON Richard & otros; Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes; Editorial Prentice Hall; 2da edition international, NJ, 2003.  ULRICH G; «Procesos de Ingeniería Química», Mc Graw H, México 2004  WANKAT P.C.; Separation Process Engineering; 2ed., Prentice Hall, 2007.  SCHWEITZER, P.A. “Handbook of Separation Techniques for Chemical Engineers” (3ª edición) Mc-Graw-Hill New York (1997) Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 55 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos A.2 REFERENCIAS ELECTRÓNICAS: enlaces de interés A.2.1 PORTALES DE ORGANIZACIONES:  www.aiche.org  www.chemindustry.com  www.chemweb.com  www.chemresource.com  www.elsiever.com  www.revistavirtualpro.com  http://rinconmatematico.com  http://visualingenieria.blogspot.com A.2.2 ARTÍCULOS, REVISTAS Y PAPERS:  AskaChe Sitio que contiene un índice temático de artículos técnicos publicados en las principales revistas de ingeniería química. Presenta además un gran número de links a sitios de cálculo on-line y software relacionado.  ePTQ.com Sitio que contiene artículos técnicos, ordenados por tipo de industria. Para acceder a los artículos es necesario registrarse, el registro es gratuito.  PipingDesign.com Sitio que contiene artículos técnicos relacionados a sistemas de cañerías.  Distillation Group, Inc. Sitio que contiene artículos técnicos relacionados a operaciones de destilación. Algunos de los artículos están disponibles on-line, otros deben solicitarse mediante email. Para solicitar artículos por email debe seguir las instrucciones indicadas en la página. Los artículos son enviados al día siguiente de haber sido solicitados.  Koch-Glitsch Sitio que contiene artículos técnicos y literatura relacionada a platos y relleno de columnas.  The Environmental Technology Network Sitio que contiene artículos técnicos principalmente relacionados a tecnologías de intercambio de calor.  Bryan Research and Engineering, Inc. Sitio que contiene artículos técnicos de diferentes procesos.  www.gigapedia.org Sitio que contiene libros disponibles on-line, de todas las especialidades, para ser bajados de diferentes servidores.  http://rinconmatematico.com Todo los libros de matemáticas, incluye enlaces interesantes  http://www.taringa.net/posts/info/864028/pagina-para-bajar-libros-de- ingenieria.html A.2.3 CÁLCULOS DE INGENIERÍA ON-LINE  LMNO Engineering, Research, and Software, Ltd. Sitio que ofrece herramientas para cálculos on-line de fluidodinámica.  FreeCalc.com Sitio que ofrece herramientas para cálculos on-line de procesos.  Process Associates of America Sitio que ofrece herramientas para cálculos on-line de procesos.  EPC Server Sitio que ofrece herramientas para cálculos on-line de ingeniería. Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 56  eFunda, Engineering Fundamentals Sitio que ofrece herramientas para cálculos on-line de ingeniería.  Filtration and Separation.com Sitio que ofrece herramientas de cálculos de filtración y separación.  HeaterDesign.com Sitio que ofrece una herramienta de diseño on-line de hornos y presenta los conceptos y teoría relacionada.  Jehar & Associates Sitio que ofrece herramientas para cálculos on-line de procesos.  Connel Sitio que ofrece herramientas para cálculos on-line de procesos.  Pump-Flo.com Selector on-line de bombas de diversos fabricantes, artículos e información relacionada. Para utilizar el selector on-line es necesario registrarse, el registro es gratuito.  Goulds Pumps Selector on-line de bombas, artículos e información relacionada.  Matches Sitio que ofrece una herramienta para la estimación del costo de equipos de proceso.  Desing Class Hysys Pages Sitio que contiene explicaciones relacionadas al simulador Hysys.  Guía de la industria Sitio que ofrece guía de productos y proveedores relacionados con la industria de procesos.  ChemEngineer Sitio que ofrece recursos relacionados a la ingeniería química.  TRANSFECALOR Sitio que ofrece recursos relacionados al diseño y cálculo de Intercambiadores de calor,que se corresponde al libro cuyo autor es el Ing. Cao, Eduardo.  The Chemical Engineers´ Resource Page Sitio que ofrece recursos relacionados a la ingeniería química, en la sección "Software Corner" posee links a otros sitios que pueden resultar de utilidad. A.2.4 SOFTWARE GRATIS  Koch-Glitsch En este sitio puede obtenerse el programa KG-Tower versión 1.0, útil para diseñar columnas de platos y rellenas.  Bryan Research and Engineering, Inc. En este sitio puede obtenerse el programas: vFrac (conversor de formas de expresar composición) y vRate (cálculo de riqueza de corrientes de hidrocarburos).  The Chemical Engineers´ Resource Page En este sitio pueden obtenerse diversas planillas de cálculo excel.  Flowserve En este sitio puede obtenerse el programa PumpSel versión 6.2., útil para selección de bombas.  Gea - Grasso En este sitio puede obtenerse el programa Comsel, útil para la selección de compresores a tornillo y alternativos.  Calculos de Intercambiadores, Tablas Piping, Links a Proveedores  http://www.programaswarez.com/ebooks-gratis/46724-descargar-libros- ingenieria-total-120-e_books-ultima-generacion-todo-detallado.html Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 57 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos A.3 DIMENSIONES ESTÁNDAR DE TUBERÍAS Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 58 A.4 PROPIEDADES Y DIAGRAMAS, PARA AGUA Y COMPUESTOS VARIOS Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 59 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 60 Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 61 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 62 Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 63 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO  LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos 64 Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO 65 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: Manual de experimentos Ing. MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO