Tanque Enchaquetado Informe [PDF]

Zitiervorschau

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Tanque enchaquetado Laboratorio de fluidos, sólidos y transferencia de calor

Jony Alexander Castiblanco Peña a María Fernanda Moreno Mora b Luz Gabriela Pulido Bonilla c Marco Daniel Rodríguez Rodríguez d Adriana María Romero Romero e Jessica Alejandra Valencia Angulo f Grupo B a Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia. [email protected] b Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia. [email protected] c Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia. [email protected] d Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia. [email protected] e Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia. [email protected] f Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia. [email protected]

1. Objetivos 1.1. Objetivo General Evaluar la transferencia de calor en un tanque agitado enchaquetado, en función de la velocidad de agitación y el flujo de agua. 1.2. Objetivos Específicos  Determinar el coeficiente de transferencia de calor global para un tanque agitado enchaquetado.  Calcular las pérdidas de calor propias del equipo, mediante balances de energía correspondientes al proceso de intercambio de calor.  Determinar la influencia de la velocidad de giro en la agitación, sobre el valor de los coeficientes globales de transferencia de calor. 2. Fundamento teórico La transferencia de calor es aquella ciencia que busca predecir la transferencia de energía que puede ocurrir entre cuerpos materiales, como resultado de una diferencia de temperatura. La ciencia de la transferencia de calor no sólo trata de explicar cómo puede ser transferida la energía calorífica, sino también trata de predecir la rapidez a la que se realizará este

intercambio bajo especificadas. [1]

ciertas

condiciones

Existen tres modos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. En este caso el objeto de estudio es la transferencia de calor por convección. Convección: La convección es la transferencia de calor entre partes relativamente calientes y frías de un fluido por medio de mezcla. Supóngase un recipiente con un líquido se coloca sobre una llama, el líquido que se encuentra en el fondo del se calienta y se vuelve menos denso que antes, debido a su expansión térmica, el líquido adyacente al fondo también es menos denso que la porción superior fría y adyacente. La transferencia de calor del líquido caliente del fondo al resto, es convección natural o convección libre. Si se produce cualquier otra agitación, tal como la provocada por un agitador el proceso es de convección forzada. Así pues, el coeficiente de película es una medida del flujo de calor por unidad de superficie y por unidad de diferencia de temperatura, indica la razón o velocidad a la cual fluidos que tienen variedad de propiedades físicas y bajo diferentes grados de agitación, transferencia de calor

Los tanques enchaquetados son recipientes que tienen un segundo recipiente (denominado chaqueta) colocado generalmente en la parte exterior del primer recipiente ya sea para proveer el calentamiento o el enfriamiento del líquido contenido en el primer recipiente. En el laboratorio químico estos recipientes son empleados para llevar a cabo reacciones endotérmicas o exotérmicas. El auxilio de la agitación mejora la transferencia de calor y el contacto entre los reactivos puesto que hace un mezclado homogéneo del líquido esto permite además que no haya contaminación del líquido a calentar. El equipo de tanque enchaquetado cuenta con un tanque sobre otro tanque de menor diámetro aislados por un material térmico y con agitador o sin él dependiendo del proceso, puesto que es un equipo relativamente sencillo es de fácil mantenimiento. Existen tres tipos de tanque enchaquetados: 1. Tanque con enchaquetado convencional. Una segunda chaqueta se instala en una porción del tanque, esto genera un espacio por donde fluye la refrigeración o la calefacción. Este tipo de tanque con dicha chaqueta tiene una transferencia porco eficiente ya que hay una baja velocidad del fluido de calentamiento y por ende un coeficiente bajo de transferencia de calor. 2. Taque enchaquetado serpentín.

con

medio

La transferencia de calor se da en forma de serpentines, es una de las formas más económicas y simples para transferir calor. Por lo general los serpentines se ubican en la parte inferior del tanque o en el seno del tanque.

Figura 1. Imagen de un Tanque con medio serpentín. 3. Tanque enchaquetado con relieve o chaquetas dimplex. Tiene una capa delgada externa con puntos de soldadura ubicado en un patrón regular ubicado a 50 mm en el centro. Los hoyuelos generan turbulencia para el fluido que se desea calentar o enfriar a través de la chaqueta. En la literatura existen poca información para predecir los coeficientes de transferencia de calor para un equipo enchaquetado o entre la chaqueta y el seno del fluido contenido en el recipiente. El fenómeno de convección libre se da cuando no hay un equipo mecánico que ayude a la convección (convección forzada). Los coeficientes correspondientes para el calentamiento con convección libre para recipientes de diámetro grande corresponden a las ecuaciones 1 y 2: Tubos verticales: ,

∆𝑇 ℎ = 0,4 𝑑 Placas horizontales: ℎ = 0,2(∆𝑇)

(1)

,

(2)

Donde ΔT es la diferencia de temperatura de la superficie caliente con el fluido frio en °F y do es el diámetro externo dado en pulgadas.

En el “Manual del Ingeniero Químico” se pueden encontrar algunas investigaciones realizadas por “Colburn” a mitades del siglo pasado que encuentran amplias generalizaciones sobre el manejo de tanques enchaquetados. A continuación, se mencionan:  Para la transferencia de calor de vapor de agua condensada en una chaqueta a agua hirviendo dentro del recipiente, el coeficiente total de transferencia de calor es de aproximadamente 250 Btu/(h*pie2*°F) para recipientes de cobre y 175 para recipientes de acero.  Los mismos coeficientes pueden esperarse para la ebullición de soluciones acuosas diluidas. En ambos casos las diferencias se deben a las conductividades y espesor estructural equivalente de los dos metales, respectivamente.  Para el calentamiento o enfriamiento de agua a agua, un coeficiente de 100 Btu/(h*pie2*°F) parece ser razonable siempre y cuando ninguna de las corrientes se refrigere.  Para soluciones acuosas cuyas propiedades no difieran grandemente de aquellas del agua pura, los coeficientes tal vez sean entre 75 y 80 Btu/(h*pie2*°F).  Para el calentamiento o enfriamiento de hidrocarburos no viscosos, el coeficiente total deberá reducirse a cerca de 50 Btu/(h*pie2*°F).

Los procesos de transferencia de calor intermitentes son en los que ocurren cambios discontinuos de calor con cantidades específicas de material, como cuando se calienta una cantidad de líquido en un tanque o se empieza a calentar un horno frio. En estos procesos para calentar líquidos el tiempo requerido para la transferencia de calor usualmente puede modificarse aumentando la circulación del lote del líquido, el medio de transferencia de calor ambos. En el caso de esta práctica la circulación de los lotes del líquido y del medio calefactor se mantendrán constantes y se variará la velocidad de giro del rotor de las aspas que contiene el reactor. Se realiza el experimento por lotes por simplicidad de los cálculos.

Determinación calor entregado por el vapor vivo: Para la entrada del vapor se mide la presión y la temperatura, por tanto es posible corroborar que ingresa al sistema como vapor saturado; en la salida se supondrá que se encuentra como líquido saturado para minimizar cálculos (también debido a que no se conoce la calidad en la mezcla líquido - vapor de salida) ya que la transferencia de calor se determina a partir del calor latente de vaporización (teniendo en cuenta que es una condensación). Para determinar el flujo de vapor se emplea una probeta y un cronómetro, y para hallar la tasa de transferencia de calor se emplea la siguiente ecuación: 𝑄 = 𝑚𝜆 (3) Dónde: 𝑄: calor transferido

Los reactores con agitación mecánica cumplen con la función de generar turbulencia haciendo mayores los coeficientes de transferencia de calor, mientras que los que no cuentan con un sistema de agitación dan evidencia de un fenómeno de convección natural debido a que el fluido contenido en el sistema se encuentra estancado.

m: es el flujo másico 𝜆: calor latente Nota: 𝜆 de tablas de propiedades termodinámicas para el agua a la temperatura de entrada del vapor vivo. Determinación del coeficiente del coeficiente global de película del equipo:

Se va a usar una expresión para el cálculo del coeficiente de calor de un proceso por lotes con agitación y con transferencia de calor por medio de un serpentín sumergido cuando el arreglo es en contracorriente propuesta por Browman, Mueller y Nagle (Kern, Procesos de transferencia de calor), estás expresiones son válidas tanto para serpentines sumergidos como para recipientes enchaquetados. Para la utilización de las expresiones se tienen en cuenta las siguientes suposiciones: 

    



U (Coeficiente global de transferencia de calor) es constante para todo el proceso y toda la superficie El flujo del líquido es constante Calores específicos constantes para el proceso El medio calefactor tiene una temperatura constante de entrada La agitación produce temperatura uniforme en todo el lote No hay cambios parciales de fase (No puede haber evaporación parcial del líquido contenido en el reactor y condensación parcial del vapor vivo) Las pérdidas de calor despreciables.

Entonces, para un serpentín en tanque o recipiente con chaqueta con medio calefactor isotérmico se considera un recipiente con una masa M (lb) de líquido con calor especifico (cp) y temperatura inicial 𝑡 y que se calienta por medio condensante a la temperatura 𝑇 . La temperatura 𝑡 del lote a cualquier tiempo 𝜃 (s)está dada por el balance diferencial de calor. Si 𝑄′ es el número total de BTU transferidos, entonces, por unidad de tiempo: 𝑑𝑄 =

𝑑𝑄 𝑑𝑡 = 𝑀𝑐𝑝 = 𝑈𝐴∆𝑡 𝑑𝜃 𝑑𝜃

(4)

dónde ∆𝑡 = 𝑇 − 𝑡

(5)

𝑑𝑡 𝑈𝐴 = ∆𝑡 𝑑𝜃 𝑀𝑐𝑝

(6)

entonces:

e integrando de 𝑡 a 𝑡 y del tiempo 0 a 𝜃, se obtiene: 𝐿𝑛

𝑇 −𝑡 𝑇 −𝑡

=

(7)

𝑈𝐴𝜃 𝑀𝑐𝑝

donde la única variable que se desconoce es U 𝐵𝑇𝑈 debido a que A (𝑚 ) se 𝑚 𝐾𝑠 estima por medio de la medición del perímetro exterior de la chaqueta y se corrige el diámetro correspondiente a este con un factor de corrección de 0,7. Influencia de la agitación sobre el cálculo del coeficiente de película del vapor: Para determinar la dependencia del coeficiente global de transferencia de calor con respecto al efecto de la agitación se realizan los cálculos mencionados anteriormente, pero esta vez variando la velocidad del agitador según lo indique el profesor. Se hace una representación gráfica de los puntos U vs Rpm del agitador para observar el comportamiento de los coeficientes hallados. Determinación del balance global de energía según: 𝑄 =𝑄í +𝑄 é 𝑚𝜆 = 𝑚𝑐𝑝 (𝑇 − T ) + 𝑄

é

Aunque para el cálculo de los coeficientes globales de transferencia de calor se considera que no hay pérdidas de energías hacia los alrededores del sistema, las perdidas serán debido a que el equipo, aunque esté diseñado para tener las menores pérdidas posibles de energía no es

(8) (9)

posible tener un sistema totalmente adiabático. Acá se ve presentada la diferencia entre el reactor enchaquetado y el de serpentín debido a que en el serpentín todo el calor es cedido al líquido contenido, mientras que en el reactor enchaquetado la transferencia se da hacia el líquido contenido y hacia los alrededores.

3. Materiales y equipo - Baldes - Flexómetro - Cronómetro - Probeta de 1L - Guantes de carnaza

Figura 3.1. Esquema del montaje del tanque enchaquetado. 4. Procedimiento Primero se escoge una velocidad de agitación, luego se toman las respectivas medidas de presión y temperatura con lo cual se busca mantener una presión de vapor de 10 psi de vapor en todos los ensayos además del flujo del agua, manteniendo siempre la misma abertura de la válvula y verificando el nivel en el tanque de almacenamiento.

5. Resultados esperados - Se espera que el coeficiente global de transferencia de calor aumente con respecto a las modificaciones de las revoluciones del agitador. - A revoluciones más altas, se espera que el análisis tenga mayor precisión debido a la uniformidad

-

de propiedades del fluido en todo el tanque por acción del agitador. El calor suministrado por el vapor se obtiene mediante las temperaturas de entrada y salida del fluido que pasa a través del tanque y el flujo másico del agua.

6. Tabla de toma de resultados

T (°C)

P (psi) ω (rpm)

Agua Reactor

Ensayos Entrada vapor inicial salida vapor Promedio Entrada Agua Reactor Promedio Chaqueta Entrada vapor Bomba de agua Reactor

1

2

3

4

Ensayos Vel. Agitación Volumen (mL) Tiempo (s) Flujo (m3/s) ρ (kg/m3)

1

2

3

4

Flujo másico (kg/s) Ensayos Vel. Agitación Volumen (mL) Tiempo (s) Condensado Flujo (m3/s) ρ (kg/m3) Flujo másico (kg/s)

1

2

3

4

7. Referencias [1] Kern D. (1999) Procesos de Transferencia de Calor. Tercera edición. México. Mc Graw-Hill. [2] Incropera F., DeWitt D. (1999) Fundamentos de transferencia de calor, Cuarta edición. México. Prentice Hall. [3] Perry, J. II., “Chemical Engineers’ Handbook”, 3 d ed., P á g s. 461-482. McGraw-HiIl Book Company, Inc. New York, 1950