9 Control de velocidad de flujo. Fijo en 4

1

BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO DE MEZCLADO

1. PROBLEMA. Se requiere obtener una corriente de flujo “C”, a la salida del mezclador con 25 % en masa de MEG en AGUA. Si la corriente MEG-AGUA del tanque “B” fluye al mezclador con un flujo fijo regulado en la posición No. 4 y cuya composición es desconocida, determinar: a) el flujo másico necesario, en g/min, de la solución MEG-AGUA del tanque “A” y su composición en % masa, b) la composición en % masa en “B”, para obtener la composición solicitada.

2. EQUIPO EXPERIMENTAL

2.1 Descripción del equipo

El equipo está constituido por dos módulos iguales. Dos tanques de acrílico T-A y T-B con capacidad de 8.0 L (1) y (2). Dos tanques de acrílico de 9.0 L (13) y (14) para depositar la solución “C” resultante del mezclado. Un vaso de vidrio (mezclador) (3) con parrilla de agitación magnética de velocidad variable (4), dos bombas dosificadoras con control de velocidad (6), (7), líneas de acrílico y válvulas de PVC (11), (12).

ACTIVIDADES PREVIAS A LA EXPERIMENTACIÓN.

1. Elaborar un diagrama de flujo del proceso,

utilizando la simbología de procesos químicos; sobre el diagrama,

d

elimitar el sistema bajo estudio utilizando línea punteada. 2. Escribir el enunciado general de Balance de Materia.

3. Aplicarlo al sistema bajo estudio, ¿cómo se simplifica? escribir el nuevo enunciado. 4. Describe el tipo de proceso: abierto, cerrado, con reacción…. etc.

1 T-A 2 T- B

9

Control de velocidad de flujo. Fijo en 4

6 Bomba 15 8Control de velocidad de flujo 11Tubería de acrílico 4Parrilla reguladora agitación Mezclador 3 14 Tanque receptor de corriente C 10 16 13 Tanque receptor de corriente C 7 Bomba 12 Tubería de acrílico 7 Salida corriente C

17 Válvula para medir flujofijo en B

2

4. Plantear la ecuación de balance total y la del balance parcial del componente 1: MEG, utilizando la nomenclatura indicada en el punto 5

5. Escribir las unidades de cada término. Verificar la congruencia de unidades.

6.

Con base en el desarrollo experimental explicado y tus conocimientos previos, e

n el diagrama de flujo del proceso, identificar cada una de las corrientes, los datos directos e indirectos, las incógnitas, las relaciones entre variables.

7. Formular un sistema de ecuaciones del balance parcial de MEG para cada una de las velocidades en las que operará la bomba “A”.

8. Plantear la solución del problema; utiliza la simbología de

diagrama de flujo para cómputo.

9. Resolver las ecuaciones planteadas, verificar siempre congruencia en las unidades

10. De acuerdo a la solución planteada, si se presentan cálculos repetitivos preparar la solución en un

archivo Excel.

11. En dos líneas describa cómo determinará el % en masa y % mol del componente MEG

3. ACTIVIDADES PARA EL DESARROLLO EXPERIMENTAL 3.1 Medidas de higiene y seguridad

 Evitar la ingestión y contacto con la piel de la solución de MEG

 Evitar derrames en elementos de la instalación eléctrica y en el área de trabajo.

 Además de la bata utilice lentes protectores. 3.2 Materiales  15 vasos de precipitado de 100 ml.  Cronómetro  Balanza digital  Agitador magnético  13 Jeringas

 Refractómetro (ATAGO T3, ATAGO T1, ATAGO R5000, MISCO )

 2 Mangueras para de enfriamiento del refractómetro

Nota: Siempre, al recibir el material verificar que esté limpio y en buen estado de funcionamiento los instrumentos. Entregarlos limpios y secos y en buen estado de funcionamiento los instrumentos.

3.2 Sustancias a utilizar

 Dos soluciones MEG-AGUA de diferente composición almacenada en los contenedores ubicados junto al equipo experimental y etiquetados con las letras “A” y “B”.

3.4 Servicios auxiliares

 Corriente eléctrica

Preparación del equipo:

1. Para iniciar, activar el multicontacto eléctrico (10), verificar se cuenta con corriente eléctrica

2. Para desarrollar adecuadamente el proceso de mezclado, verificar que los tanques de alimentación T-A (1) y T-B (2) de las soluciones estén vacíos, en caso contrario vaciarlos y depositar las soluciones en el tanque de residuos, esto con el propósito de no contaminar las soluciones.

3. Utilizar la bomba manual para tomar las soluciones de sus respectivos contenedores, verter la solución a un vaso de precipitados de plástico de 4L, agregar a los tanques de alimentación T-A y T-B hasta un 90% del volumen total. Evitar en todo momento derrame de soluciones.

4. Numerar y pesar los vasos de precipitado.

Operación del equipo:

1. Con la perilla del controlador de velocidad, fijar el flujo de la bomba del Tanque “B” en la posición No. 4 (9) 2. Para medición de flujo de la solución del Tanque “B”, cerrar totalmente la válvula que alimenta al mezclador.

3

3. Preparar tres vasos de precipitados, previamente pesados para la toma de 3 muestras de flujo (30 mL aproximadamente)

4. Abrir totalmente la válvula (17), activar la bomba, registrar el tiempo de acumulación con un cronómetro. (Hacer esta medición con la mayor exactitud, evitar error humano)

5. Calcular el flujo másico de cada muestra. Si hay incertidumbre en los valores repita la medición dos veces más. Regresar las muestras al Tanque “B”.Registrar el promedio de flujo másico en la tabla 1.

Tabla 1. Medición de Flujo fijo en 4 de la bomba “B”

6. Parar la bomba del tanque B. Cerrar la válvula de la toma de muestra (17) y abrir la válvula que alimenta al mezclador (3)

7. Seleccionar, dentro del intervalo de 3 a 8 una posición de velocidad de la bomba A (7) (La variación de velocidad es lineal).

8. Abrir la válvula (11) ó (12) para que la corriente “C” se deposite en el contenedor.

9. Con la posición del control de velocidad de flujo en B y A ya establecidos, iniciar el mezclado activando las bombas A (7) y B (6),simultáneamente.

10. Activar el regulador de agitación magnética, seleccionar la velocidad en la que se observe el mejor mezclado.

11. Transcurrido aproximadamente un minuto de que haya iniciado el derrame en el mezclador, hacer 3 mediciones del flujo másico de la corriente “C”. Utilizar nuevamente tres vasos de precipitados previamente pesados para la toma de 3 muestras de flujo (30 mL aproximadamente) y registrar el tiempo de acumulación con el cronómetro. (Hacer esta medición con la mayor exactitud, evitar error humano)

12. Determinar el índice de refracción de cada muestra y su composición en % en masa de cada muestra. de la corriente “C”. Consultar anexos de usos de refractómetros y gráficas.

13. Repetir el punto 7 con otras dos velocidades diferentes de flujo en A., Registrar los datos en la Tabla 2. No. de velocidad No. de Medición (No. de vaso) Masa (g) Tiempo (s)

Flujo másico (g/min)

Promedio

4

1 2

4

Tabla 2. Medición de flujo en la salida del mezclador

14. Analizar grupalmente las mediciones, ¿se observan valores incongruentes?, ¿Debe repetirse alguna o todas

las mediciones?

Paro del equipo:

1. Desactivar simultáneamente las bombas y apagar el multicontacto.

2. Vaciar el contenido del mezclador y los tanques utilizando la bomba manual, depositar las soluciones en una cubeta para posteriormente almacenarlo en el tanque de residuos.

3. Dejar limpia toda el área de trabajo.

4. GUÍA PARA CÁLCULOS

1.- Con la información de las tabla 1, 2 y las ecuaciones planteadas determinar las composiciones de las corrientes A y B y el flujo másico en g/min con el que debe operar la bomba “A” que den respuesta al problema planteado.

2. Con el valor del flujo másico de A calculado, determinar el No. de velocidad con la cual la bomba “A” debe operar. No. de Vel. No. de medición (No. de vaso) Masa (g) Tiempo (s) Flujo másico (g/min) prome

dio IR % masa promedio

4 5 6 No. de Vel. No. de medici ón (No. de vaso) Masa (g) Tiemp o (s) Flujo másico (g/min) IR % masa promedio prome dio 7 8 9

5

3. Comprobar la solución del problema el flujo en la corriente “C” y medir su composición. Si el resultado

experimental no coincide con el determinado por el balance de materia analice y argumente el porqué de la diferencia y hacer nuevamente la experimentación para corregirlo.

HOJA FINAL DE BALANCE

5. NOMENCLATURA

Para el planteamiento de las ecuaciones de balance de materia: A = Flujo másico de solución A en la entada del Mezclador (g / min) B = Flujo másico de solución B en la entada del Mezclador (g/ min) C = Flujo másico de mezcla en la salida del Mezclador (g / min) XMEG(A) = fracción masa de MEG en la corriente de la solución A XMEG(B) = fracción masa de MEG en la corriente de la solución B

XMEG(S) = fracción masa de MEG en la corriente S de salida del mezclador 6. BIBLIOGRAFIA

Valiente B. A. y Stivalet C. R., Problemas de Balances de Materia, Alhambra Mexicana, 1986. Andersen L. B. and Wenzel L. A., Introduction to Chemical Engineering, McGraw- Hill, N. Y. 1961.

7. ANEXOS.

USO DE LOS REFRACTÓMETROS ATAGO T1 y T3 A. Lista de partes principales. Figuras 1 y 2.

1. Ensamble de iluminación de la muestra 2. Perillas de abertura del prisma

3. Prisma secundario 4. Prisma principal 5. Termistor Hoja de balance Nomenclatura Unidades Corrientes Flujo volumétrico Flujo másico Fracción masa de agua Fracción masa de MEG Densidad A B C

6

6. Ensamble de la iluminación de la escala

7. Caja desecadora

8. Conexiones de entrada y salida de agua para el control de temperatura 9. Tornillo de ajuste

10. Perilla de compensación de color 11. Perilla de medición

12. Termómetro

B. Ajuste de la escala

1. Colocar de 2 a 3 gotas de agua destilada en la superficie del prisma principal con una jeringa, evitando el contacto de la jeringa con el prisma. (Figura 3).

2. Cierre el prisma secundario y observe a través del ocular. 3. Con las perillas 11 y 12 encuentre los campos.

NOTA: Si el índice de refracción obtenido es diferente de 1.333 infórmelo a su profesor.

Concluido lo anterior, con algodón y agua destilada limpiar cuidadosamente la superficie del prisma, dejándola sin ningún residuo de agua. Determinar el índice de refracción de la muestra (IR), siga las instrucciones del punto B (ajuste de escala). Depositar algodones y papeles en botes de basura orgánica

Determinación de la composición:

Con el índice de Refracción de la muestra se puede determinar la composición por medio de la gráfica ÍNDICE DE REFRACCIÓN vs. % Peso, % mol o con las ecuaciones para determinar el Índice de Refracción de la mezcla MEG – H2O:

7

Ecuaciones para determinar el Índice de Refracción de la mezcla MEG – H2O

Densidad Mezcla MEG- H2O

0.99 1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 1.13 1.14 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Temperatura ( °C ) Dens ida d (g/mL) 10% _20% 30% 40% 50% 60% 80% 70% 90% 100%

Autor: Ing. Genovevo Silva P.

Modificado: Ing. Lucila Méndez Enero 2014

% MEG ECUACIÓN

% peso IR = 0.001 % peso + 1.3322

% mol IR = 7x10

-11

(% mol)5 – 2x10-08(% mol)4 + 1x10-06(% mol)3 – 8x10-05(% mol)2 + 0.0035(% mol) + 1.3325

ÍNDICE DE REFRACCIÓN vs % PESO, % MOL

1.32 1.33 1.34 1.35 1.36 1.37 1.38 1.39 1.4 1.41 1.42 1.43 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 % MEG Í N D IC E D E R EF R A C C IÓ N R EF R A C C IÓ N _{% mol} % peso