Practica 1 LIQ 1 FQ [PDF]

Zitiervorschau

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química

Laboratorio de Ingeniería Química 1 (1544)

Experimento 1 “Balance de materia a régimen permanente”

Ambriz Medina Ricardo

Número Cuenta: 314261416

Equipo 2 Grupo 8

Profesor: Héctor Méndez Fregoso

15/02/2019

Datos Experimentales

No. De velocidad

No. de medición (No. De vaso)

Promedio

1 2 3

4

Flujo másico (g/min)

Masa (g) Tiempo (s) 106 98.9 105.9

6 5.28 6.52

1060 1123.863636 974.5398773

1052.801171

Tabla 1. Medición de flujos de la bomba “B”

No. De vel.

3

No. De medición Masa Tiempo (No. De (g) (s) vaso)

Flujo másico (g/min)

IR

% masa

Promedio

Promedio

4

73.2

4.03

1089.826303

1.3538

21.6

5

78.6

3.25

1451.076923 1327.207263 1.3531

20.9

6

80.2

3.34

1440.718563

20.9

1.3531

21.13333333

Tabla 2. Medición de flujo en la salida del mezclador para la velocidad 3

No. De No. De medición vel. (No. De vaso) 7 5

Flujo másico (g/min) Masa Tiempo (g) (s)

IR

% masa

Promedio

Promedio

59.5

2.16

1652.777778

1.3521

19.9

8

75.4

2.72

1663.235294 1642.102397 1.3511

18.9

9

73

2.72

1610.294118

18.9

1.3511

19.23333333

Tabla 3. Medición de flujo en la salida del mezclador para la velocidad 5

No. De vel.

8

No. De medición (No. De vaso) 10 11 12

Flujo másico (g/min) Masa (g)

Tiempo (s)

75.6 69.4 75.1

1.97 1.88 2.19

IR

Promedio 2302.538071 1.3499 2214.893617 2191.655312 1.3489 2057.534247 1.3485

% masa Promedio 17.7 16.7 16.3

Tabla 4. Medición de flujo en la salida del mezclador para la velocidad 8

16.9

Cálculos en las tablas 1,2,3 y 4 Para la determinación del flujo másico: 𝒈 𝒈𝒓𝒂𝒎𝒐𝒔 𝒑𝒆𝒔𝒂𝒅𝒐𝒔 (𝒈) 𝟔𝟎𝒔 𝑭𝒍𝒖𝒋𝒐 𝒎á𝒔𝒊𝒄𝒐 ( )= ∗ 𝒎𝒊𝒏 𝑻𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 𝒎𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐 (𝒔) 𝟏𝒎𝒊𝒏 Para el cálculo de % masa: % 𝒎𝒂𝒔𝒂 =

𝑰𝑹 − 𝟏. 𝟑𝟑𝟐 𝟎. 𝟎𝟎𝟏

Resultados

Velocidad Corriente

A

3 B

C

A

5 B

C

A

8 B

C

Flujo Másico (g/min)

274.406

1052.8

1327.21

589.301

1052.8

1642.1

1138.85

1052.8

2191.66

Flujo Volumétrico (mL/min)

271.152

1024.13

1294.84

582.313

1024.13

1605.18

1125.35

1024.13

2155.02

Fracción 0.11225 masa de MEG

0.23716

0.21133

0.11225

0.23716

0.19233

0.11225

0.23716

0.169

Fracción 0.88775 masa de agua

0.76284

0.78867

0.88775

0.76284

0.80767

0.88775

0.76284

0.831

1.028

1.025

1.012

1.028

1.023

1.012

1.028

1.017

Densidad (g/mL)

1.012

Tabla 5. Resultados para cada corriente

Para obtener una concentración de 0.19 MEG en la corriente 𝑪 es necesario colocar la perilla de control de la bomba 𝑨 en la 𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 = 𝟓. 𝟏𝟕𝟐𝟑 Cálculos en la tabla 5 Fracción masa de agua: 𝑿𝑯𝟐𝑶 = 𝟏 − 𝑿𝑴𝑬𝑮 Flujo volumétrico: 𝒈 𝑭𝒍𝒖𝒋𝒐 𝒎á𝒔𝒊𝒄𝒐 (𝐦𝐢𝐧) 𝒎𝑳 )= 𝑭𝒍𝒖𝒋𝒐 𝒗𝒐𝒍𝒖𝒎é𝒕𝒓𝒊𝒄𝒐 ( 𝒈 𝐦𝐢𝐧 𝑫𝒆𝒏𝒔𝒊𝒅𝒂𝒅 (𝐦𝐢𝐧) Los valores de densidad se obtienen por interpolación en la gráfica “Densidad Mezcla MEG-H2O”.

Cuestionario

Actividades previas.

1. Elaborar un diagrama de flujo en el que se describa claramente la parte del proceso de mezclado con las corrientes de flujo.

Diagrama de flujo de proceso

A

B Corriente de flujo “B”

Corriente de flujo “A”

Control de velocidad Bomba “B”

Control de velocidad Bomba “A”

Corriente de flujo “C”

C

C

Diagrama de flujo del procedimiento

Activar el multicontacto eléctrico y verificar que los tanque T-A y T-B estén vacíos.

Llenar los tanques T-A y T-B con las soluciones correspondientes hasta un 90% de su capacidad.

Se asigna un numero en el control de velocidad de la bomba “A” siendo 3≤x≥8.

Para la medición del flujo másico en la bomba “B” se cierra el sistema permitiendo la salida de la solución por la llave de muestra. Se enciende la bomba y se llena un vaso de precipitado contando el tiempo con el cronómetro y posteriormente se pesa la masa de solución. Se repite 2 veces más y se anota en la tabla 1.

Cerrar el sistema de la bomba “B” permitiendo el paso de la solución al mezclador y abrir alguna de las dos llaves de la salida del mezclador. Una vez terminadas las 3 medidas, se apagan simultáneamente las dos bombas y se apaga el multicontacto.

Se inicia el mezclado activando las bombas “A” y “B” simultáneamente y se activa el agitador magnético.

Se repite el proceso del cálculo del flujo másico la salida del mezclador 2 veces más cambiando la velocidad en el controlador de la bomba “A”. Se registra en las tablas 3 y 4.

Seleccionar la velocidad 4 en la perilla de control de la bomba “B”

Después de un minuto iniciado el sistema de mezclado se procede a medir el flujo másico en la salida del mezclador siguiendo el mismo procedimiento utilizado para la bomba “B” y se determina el índice de refracción. Se registra en la tabla 2.

2.

Plantear la ecuación de balance total y la del balance por componente, usando la nomenclatura indicada en la parte correspondiente.

Sabiendo que: 𝑨 flujo másico de solución A en la entrada del mezclador (g/min). 𝑩 flujo másico de solución B en la entrada del mezclador (g/min). 𝑪 flujo másico de mezcla en la salida del mezclador (g/min). 𝑿𝒊(𝒋) fracción masa de i en la corriente j El balance de materia total es: 𝑨 + 𝑩 = 𝑪 (a) Y los balances por componente son: 𝑨𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑨) + 𝑩𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑩) = 𝑪𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑪) (b) 𝑨𝑿𝑯𝟐𝑶(𝑨) + 𝑩𝑿𝑯𝟐𝑶(𝑩) = 𝑪𝑿𝑨𝑮𝑼𝑨(𝑪) (c)

3. Identificar en la hoja de balance anexa: • Las incógnitas • Los datos directos e indirectos • Las relaciones entre variables

Hoja de balance Nomenclatura

Unidades

Corrientes A

B

C

3 indirectos 𝑭𝑨𝑽𝟏 𝑭𝑨𝑽𝟐 𝑭𝑨𝑽𝟑

1 indirecto 𝑭𝑩

3 indirectos 𝑭𝑪𝑽𝟏 𝑭𝑪𝑽𝟐 𝑭𝑪𝑽𝟑

𝒎𝒊𝒏

3 indirectos 𝑨𝑽𝟏 𝑨𝑽𝟐 𝑨𝑽𝟑

1 directo 𝑩

3 DIRECTOS 𝑪𝑽𝟏 𝑪𝑽𝟐 𝑪𝑽𝟑

𝒎𝑳

Flujo Volumétrico

𝑭𝑨 𝑭𝑩 𝑭𝑪

Flujo másico

𝑨𝑩𝑪

Fracción masa de agua

𝑿𝑯𝟐𝑶

-

1 incógnita

1 incógnita

1 indirecto

Fracción masa de MEG

𝑿𝑴𝑬𝑮

-

1 incógnita

1 incógnita

1 directo

Densidad

𝝆𝑨 𝝆𝑩 𝝆𝑪

𝒈 𝒎𝑳

1 incógnita 𝝆𝑨

1 incógnita 𝝆𝑩

3 indirectos 𝝆𝑪𝟏 𝝆𝑪𝟐 𝝆𝑪𝟑

𝒎𝒊𝒏 𝒈

Tabla 6. Hoja de balance

4. Formular un sistema de ecuaciones similar a las del punto 2 para cada una de las velocidades en las que opero la bomba “A”

Para la velocidad 3: 𝑨𝒗𝒆𝒍 𝟑 + 𝑩 = 𝑪𝒗𝒆𝒍 𝟑 (1) 𝑨𝒗𝒆𝒍 𝟑 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑨) + 𝑩𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑩) = 𝑪𝒗𝒆𝒍 𝟑𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑪)𝟑 (2) 𝑨𝒗𝒆𝒍 𝟑 𝑿𝑯𝟐𝑶(𝑨) + 𝑩𝑿𝑯𝟐𝑶(𝑩) = 𝑪𝒗𝒆𝒍 𝟑 𝑿𝑯𝟐𝑶(𝑪)𝟑 (3) Para la velocidad 5: 𝑨𝒗𝒆𝒍 𝟓 + 𝑩 = 𝑪𝒗𝒆𝒍 𝟓 (4) 𝑨𝒗𝒆𝒍 𝟓 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑨) + 𝑩𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑩) = 𝑪𝒗𝒆𝒍 𝟓𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑪)𝟓 (5) 𝑨𝒗𝒆𝒍 𝟓 𝑿𝑯𝟐𝑶(𝑨) + 𝑩𝑿𝑯𝟐𝑶(𝑩) = 𝑪𝒗𝒆𝒍 𝟓 𝑿𝑯𝟐𝑶(𝑪)𝟓 (6) Para la velocidad 8: 𝑨𝒗𝒆𝒍 𝟖 + 𝑩 = 𝑪𝒗𝒆𝒍 𝟖 (7) 𝑨𝒗𝒆𝒍 𝟖 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑨) + 𝑩𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑩) = 𝑪𝒗𝒆𝒍 𝟖𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑪)𝟖 (8) 𝑨𝒗𝒆𝒍 𝟖 𝑿𝑯𝟐𝑶(𝑨) + 𝑩𝑿𝑯𝟐𝑶(𝑩) = 𝑪𝒗𝒆𝒍 𝟖 𝑿𝑯𝟐𝑶(𝑪)𝟖 (9)

Contesta lo siguiente

1. Con la información de las tablas 1 y 2, resolver las ecuaciones del punto 4 (Actividades previas) para determinar las composiciones de las corrientes “A” y “B”. Para la determinación de las fracciones masa de MEG: Con las ecuaciones (2) y (5) se genera un sistema de 2 ecuaciones con dos incógnitas: 𝑨𝒗𝒆𝒍 𝟑 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑨) + 𝑩𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑩) = 𝑪𝒗𝒆𝒍 𝟑𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑪)𝟑 (2) 𝑨𝒗𝒆𝒍 𝟓 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑨) + 𝑩𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑩) = 𝑪𝒗𝒆𝒍 𝟓𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑪)𝟓 (5)

Despejando 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑩) de (2) y sustituyendo en (3): 𝑨𝒗𝒆𝒍 𝟓 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑨) + 𝑪𝒗𝒆𝒍 𝟑 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑪)𝟑 − 𝑨𝒗𝒆𝒍 𝟑𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑨) = 𝑪𝒗𝒆𝒍 𝟓 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑪)𝟓 (10) Despejando 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑨) de (10) y sustituyendo valores: 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑨) =

𝟏𝟔𝟒𝟐. 𝟏𝟎𝟐𝟑𝟗𝟕

𝐠 𝐠 ∗ 𝟎. 𝟏𝟗𝟐𝟑 − 𝟏𝟑𝟐𝟕. 𝟐𝟎𝟕𝟐𝟔𝟑 ∗ 𝟎. 𝟐𝟏𝟏𝟑 𝐦𝐢𝐧 𝐦𝐢𝐧

𝒈 𝒈 𝟓𝟖𝟗. 𝟑𝟎𝟏𝟐 𝒎𝒊𝒏 − 𝟐𝟕𝟒. 𝟒𝟎𝟔𝟏 𝒎𝒊𝒏 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑨) = 𝟎. 𝟏𝟏𝟐𝟑

Despejando 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑩) de (5) y sustituyendo valores: 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑩)

𝒈 𝒈 𝟏𝟔𝟒𝟐. 𝟏𝟎𝟐𝟒 𝒎𝒊𝒏 ∗ 𝟎. 𝟏𝟗𝟐𝟑 − 𝟓𝟖𝟗. 𝟏𝟎𝟏𝟐 𝒎𝒊𝒏 ∗ 𝟎. 𝟏𝟏𝟐𝟑 = 𝒈 𝟏𝟎𝟓𝟐. 𝟖𝟎𝟏𝟐 𝒎𝒊𝒏 𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑩) = 𝟎. 𝟐𝟑𝟕𝟐

2. Con el resultado obtenido en el punto anterior, resolver las ecuaciones del punto 2 (actividades previas), para determinar la respuesta del problema (el flujo másico en g/min con el que debe operar la bomba “A”).

De acuerdo a las ecuaciones (a) y (c):

Se despeja 𝑪 de (a) y se sustituye en (c) 𝑨𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑨) + 𝑩𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑩) = (𝑨 + 𝑩)𝑿𝑴𝑬𝑮(𝑪)

Se despeja 𝑨 y se sustituyen valores: 𝑨=

𝒈 𝟏𝟎𝟓𝟐. 𝟖𝟎𝟏𝟐 𝐦𝐢𝐧 ∗ (𝟎. 𝟏𝟗 − 𝟎. 𝟐𝟑𝟕𝟐) 𝟎. 𝟏𝟏𝟐𝟑 − 𝟎. 𝟏𝟗 𝒈 𝑨 = 𝟔𝟑𝟗. 𝟓𝟑𝟗𝟓 𝒎𝒊𝒏

3. Con el valor del flujo másico determinado en el punto anterior, determine el número de velocidad con la cual la bomba “A” debe operar (recordar que la variación de velocidad con respecto al número de velocidad es lineal).

Debido a que la variación de velocidad es lineal, se puede construir una gráfica de Flujo másico vs velocidad:

Flujo másico (g/min)

Flujo másico vs velocidad 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200

y = 173.7x - 258.89 R² = 0.9984

2

3

4

5

6

7

8

9

velocidad Gráfica 1. Flujo másico vs velocidad

Con base en la ecuación obtenida en el gráfico: 𝒈 𝑭𝒍𝒖𝒋𝒐 𝒎á𝒔𝒊𝒄𝒐 ( ) = 𝟏𝟕𝟑. 𝟕 ∗ 𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 − 𝟐𝟓𝟖. 𝟖𝟗 𝐦𝐢𝐧

Se calcula la velocidad de operación de la bomba A para obtener un % masa MEG en la salida del mezclador:

𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 =

𝒈 𝟔𝟑𝟗. 𝟓𝟑𝟗𝟓 𝒎𝒊𝒏 + 𝟐𝟓𝟖. 𝟖𝟗 𝟏𝟕𝟑. 𝟕

𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 = 𝟓. 𝟏𝟕𝟐𝟑

Conclusiones

Los balances de materia son indispensables en la determinación y optimización de las variables que intervienen en un proceso como lo son las composiciones y flujos de entrada y salida. En la práctica se realizó un balance de materia en un proceso a régimen permanente con el objetivo de determinar la velocidad en la bomba “A” requerida para logra un flujo de salida con una composición de 0.19 masa en MEG, para ello fue necesario determinar primero las concentraciones de las corrientes de entrada con la utilización de un cronómetro y una balanza digital. En los resultados obtenidos se pudo observar que a mayor velocidad de la bomba “A” se obtenía una menor concentración de MEG en la corriente de salida, es decir, la concentración en la salida del mezclador es inversamente proporcional a la velocidad de flujo de la corriente “A”. Después de realizar los cálculos correspondientes, detallados a lo largo del reporte, se determinó que el flujo requerido en la bomba “A” es de 639.5395 g/min, el cual se consigue en una velocidad de 5.1723. Se mostró la importancia de un correcto planteamiento de las ecuaciones de balance y el conocimiento necesario para la resolución de estas, se aprendió también a operar un equipo de mezclado con dos corrientes de entrada y una corriente de salida, a determinar el flujo másico en las corrientes y la correcta utilización del refractómetro y los gráficos para el cálculo de densidades.

Bibliografía • •

Valiente, B.A. y Stivalet, C.R. Problemas de Balances de Materia, Alhambra Mexicana, México, 1986. Himmelblau, D.M. Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química, Prentice Hall Hispanoamericana S.A, México, 1997