10. Transmision De Calor En Un Tanque Agitado.docx

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FACULTAD DE TECNOLOGIA

QUIMICA INDUSTRIAL

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES CARRERA QUIMICA INDUSTRIAL TALLER DE PROCESOS II

“TRANSMISION DE CALOR EN UN TANQUE AGITADO” DOCENTE

:

ING. CESAR RUIZ ORTIS

MATERIA

:

TALLER DE PROCESOS II

ESTUDIANTE

:

LIZET ROMUALDA TINCUTA MAMANI

La Paz - Bolivia

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TRANSMISIÓN DE CALOR EN UN TANQUE AGITADO

1. OBJETIVO  Determinación del coeficiente de transmisión de calor en un tanque agitado.

2. MARCO TEÓRICO Chilton, Dreaw y jebens han publicado una correlación para el coeficiente de transmisión de calor en la calefacción de tanques por camisa de vapor y por serpentines, tanto en régimen estacionario como intermitente, para deducirlas utilizaron un agitador de paleta plana y aunque la mayor parte de las medidas se hicieron en un recipiente de 30cm de diámetro, los resultados se comprobaron también en otros tanques de mayor diámetro. Los tanques agitados o tanques mezcladores son equipos donde se realiza una mezcla de componentes y cuando ocurre una reacción química se llaman reactor químico. Son generalmente de forma cilíndrica y pueden ser operados por lotes, con recirculación o de flujo continuo. En un tanque agitado se pueden realizar las siguientes operaciones unitarias: 1. Mezcla de líquidos miscibles 2. Dispersión de un gas en un líquido 3. Mezcla o dispersión de líquidos no miscibles 4. Dispersión y emulsificación de líquidos no miscibles 5. Apoyo para la transferencia de calor entre un líquido y una superficie intercambiadora de calor 6. Suspensión, reducción de tamaño y dispersión de partículas sólidas en un líquido. Dilución de un sólido en un líquido 7. Reducir el tamaño de partículas aglomeradas. Disminuir el tamaño de gota de líquidos coalescentes

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El Agitador: produce movimientos irregulares, turbulentos con el propósito de llevar a cabo la homogenización y la igualdad de temperatura. El Serpentín se lleva a cabo la transferencia de calor mediante la conducción (aplica el segundo principio de la termodinámica). En que consiste la igualdad de temperaturas: Dos casos:

Primero dos bloques de con temperaturas iguales se los une.

Como tienen la mima temperatura no existe transferencia de calor, existe un equilibrio térmico por consiguiente hay una igualdad de temperaturas. Segundo caso ambos bloques tienen diferentes temperaturas se lo une.

Donde

T1 > T2 habrá trasferencia de calor del bloque de mayor temperatura

hacia el bloque de menor hasta que se alcance el equilibrio en ese estado se tiene una igualdad de temperatura.

Mecanismos de transferencia de calor:

Conducción: transferencia de energía desde cada porción de materia a la materia adyacente por contacto directo, sin intercambio, mezcla o flujo de cualquier material. Convección: transferencia de energía por acción combinada de conducción de calor, almacenamiento de energía y movimiento de materia. Radiación: transferencia de energía mediada por ondas electromagnéticas, emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fríos. La ecuación obtenida para un serpentín sumergido en un tanque agitado es: ℎ𝑐

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ℎ𝑐 𝐷𝑣 𝐿2 ∗ 𝑁 ∗ 𝜌 3 𝐶𝑝 ∗ 𝜇 3 𝜇 0,14 = 0,87 ∗ ( ) ∗( ) ∗( ) 𝐾 𝜇 𝐾 𝜇𝑤 Dónde: hc = coeficiente individual de transmisión de calor exterior a los tubos. hc =

kcal h ∗ m2C

𝑁 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑑𝑒𝑡𝑒 (𝑟𝑝𝑠) 𝑙 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑑𝑒𝑡𝑒 (𝑚) 𝐷𝑣 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 (𝑚) 𝐷𝑠𝑒𝑟𝑝𝑒𝑛𝑡𝑖𝑛 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑟𝑝𝑒𝑛𝑡𝑖𝑛 (𝑚) 𝑘 = 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 ℎ𝑐 = 𝑘𝑐𝑎𝑙/(ℎ ∗ 𝑚2𝐶 ) 𝜌 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝐾𝑔/𝑚3) 𝐾𝑔 ) 𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜 ℎ𝑚 𝐾𝑔 𝑢𝑤 = 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 ( ) 𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 ℎ𝑚 𝑢 = 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (

𝐶𝑝 = 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 (𝐾𝑐𝑎𝑙/𝐾𝑔𝐶)

3. EQUIPO UTILIZADO  Tanque de acero  Serpentín de cobre  Agitador con motor eléctrico  2 termómetros  Cronómetro  Soportes  Nueces  pinzas  1 Probeta TALLER DE PROCESOS II

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 flexometro  Fuente de calefacción

REACTIVOS  Agua común  Gas natural

4. DIAGRAMA DE FLUJO

Agua de alimentación Fluido frio Motor

MOTOR AGITADOR

BOMBA AGUA

Salida de fluido Caliente Manguerilla

Serpentín FUENTE DE CALOR

5. PROCEDIEMIENTO Introducir agua al tanque de acero hasta cubrir completamente el serpentín de cobre luego regular la entrada y salida del agua a través del serpentín medir el caudal de salida. Someter e un proceso de calentamiento en el tanque de acero y a diferentes tiempos de operación (5, 10, 15, etc. min) medir la temperatura del TALLER DE PROCESOS II

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tanque de acero y la temperatura del agua de salida del serpentín para los tiempos propuestos hasta que se alcance el equilibrio.

6. CÁLCULOS Se utiliza la siguiente expresión:

Determinar el valor del coeficiente individual de transmisión de calor exterior de los tubos (hc) 2

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ℎ𝑐 𝐷𝑣 𝐿2 ∗ 𝑁 ∗ 𝜌 3 𝐶𝑝 ∗ 𝜇 3 𝜇 0,14 = 0,87 ∗ ( ) ∗( ) ∗( ) 𝐾 𝜇 𝐾 𝜇𝑤

Determinar el Reynolds (Re) para un estado estacionario del fluido que sale del serpentín T (Equilibrio) 𝑅𝑒 =

𝑣 ∗ 𝜌 ∗ 𝐷𝑖 µ

𝑅𝑒 = 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 𝑣 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑚/ℎ) 𝜌 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑘𝑔/𝑚3 ) 𝐷𝑠𝑒𝑟𝑝𝑒𝑛𝑡𝑖𝑛 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑟𝑝𝑒𝑛𝑡𝑖𝑛 (𝑚) 𝜇 = 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 [𝐾𝑔 / ℎ 𝑚] 𝑄 =𝐴∗𝑣 𝜋 𝐴 = ∗ 𝐷2 4 Determinar el gasto másico del fluido que circula a través del tubo de cobre. 𝑀 = 𝜌∗𝑄 𝑀 = 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑚𝑎𝑠𝑖𝑐𝑜 (𝐾𝑔/ℎ) 𝑄𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 (𝑚3 /ℎ) 𝜌 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑘𝑔/𝑚3 ) TALLER DE PROCESOS II

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Determinar el color transferido al fluido que circula por el interior del serpentín, considerar solo la Resistencia térmica del serpentín de cobre. 𝑄 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑡 𝑚 = 𝑄𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 ∗ 𝜌 ∗ 𝑡 𝑄 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 (𝐾𝑐𝑎𝑙) 𝑄𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 (𝑚3 /ℎ) 𝑚 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝐾𝑔) 𝜌 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑘𝑔/𝑚3 ) 𝑡 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 (ℎ) 𝐶𝑝 = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 (

𝑘𝑐𝑎𝑙 ) 𝑘𝑔 ℃

∆𝑇 = 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎

Realizar una gráfica de temperatura vs. Tiempo

7. CÁLCULOS DATOS:

Nº T (min.) T 1 fluido ºC T 2 baño ºC 1

0

15

15

2

5

19

22

3

10

24

23

4

15

27

32

5

20

28

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6

25

31

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7

30

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11

50

40

41

N=300 [rev / min]

=18000 [rev/h]

ρ = 1.0697 [g / ml]

= 1069.7 [Kg / m3]

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T ambiente = 19 [ºC] T o = 12 [ºC] D inter. serpentin =0.5 [cm]

= 0.005 [m]

D inter. tanque =32.5 [cm]

= 0.325 [m]

L = 5,5 [cm]

= 0.055 [m]

Datos de tablas

A T = 62 ºC (Equilibrio)

K = 0,5696 [Kcal / h m ºC] ρ = 1069.7 [Kg / m3] µ = 1.647 [Kg / h m]

C p = 1.0 [Kcal / Kg ºC] A T = 11 ºC µ w = 4.499 [Kg / h m]

Determinar el valor del coeficiente individual de transmisión de calor exterior de los tubos (hc)

ℎ𝑐 =

0,87 ∗ 𝐾 𝐿2 ∗ 𝑁 ∗ 𝜌 2 𝐶𝑝 ∗ 𝜇 1 𝜇 0,14 ( )3 ( )3 ( ) 𝐷𝑣 𝜇 𝐾 𝜇𝑤 TALLER DE PROCESOS II

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NOTA: Se realizara el cálculo, con el uso de los datos a la T = 62 ºC (Equilibrio)

ℎ𝑐 =

0,87 ∗ 0.5696 0,0572 ∗ 18000 ∗ 1069.7 2 1 ∗ 1.647 1 1.647 0,14 ( )3 ( )3 ( ) 0,326 1.647 0.5696 4.499 𝐾𝐶𝑎𝑙 ] ℎ ∗ ℃ ∗ 𝑚2

ℎ𝑐 = 1.5201 ∗ 1029.9531 ∗ 1.4246 ∗ 0.8688 = 2126.011 [

𝒉𝒄 = 𝟐𝟏𝟐𝟔. 𝟎𝟏𝟏 [

𝑲𝑪𝒂𝒍 ] 𝒉 ∗ ℃ ∗ 𝒎𝟐

 Determinar el Reynolds (Re) para un estado estacionario del fluido que sale del serpentín (T = 62 ºC) 𝑅𝑒 =

𝑣 ∗ 𝜌 ∗ 𝐷𝑖 µ

Di = 0,008 [m] ρ = 1069.7 [Kg / m3] µ = 1.647 [Kg / h m] 𝑄 =𝐴∗𝑣 𝜋 𝐴 = ∗ 𝐷2 4 𝜋 ∗ 0.0082 = 5.0265 ∗ 10−5 4 𝑄 0.02244 𝑚 𝑣= = = 446. 433 −5 𝐴 5.0265 ∗ 10 ℎ 𝐴=

1069.7 [ 𝑅𝑒 =

𝑘𝑔 𝑚 ] ∗ 446.433 [ ] ∗ 0.008 𝑚 ℎ 𝑚3 𝐾𝑔 1.647 [ ] ℎ𝑚

𝑹𝒆 = 𝟐𝟑𝟏𝟗. 𝟔𝟎𝟖𝟎

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 Determinar el gasto másico del fluido que circula a través del tubo de cobre Q sale. = 0.02244 [m3/h] T = 62 ºCρ = 1069.7 [Kg / m3] 𝑀 = 𝜌∗𝑄 𝑀 = 1069.7

𝑘𝑔 𝑚3 ∗ 0.02244 𝑚3 ℎ

Gasto másico M = 24.004

𝑘𝑔 ℎ

 Determinar el color transferido al fluido que circula por el interior del serpentín, considerar solo la Resistencia térmica del serpentín de cobre. 𝑄 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑡 𝑚 =𝑄∗𝜌∗𝑡

𝑚 = 0.02244

𝑚3 𝑘𝑔 5 ∗ 1069.7 3 ∗ ℎ ℎ 𝑚 6

𝑚 = 20.0034 𝑘𝑔

𝑄 = 20.0034 𝑘𝑔 ∗ 1.0

𝑘𝑐𝑎𝑙 ∗ (62 − 12)º𝐶 𝑘𝑔 º𝐶

𝑸 = 𝟏𝟎𝟎𝟎. 𝟏𝟕 𝒌𝒄𝒂𝒍  Determine la potencia consumida en el proceso de trasferencia de calor

𝑄˚ =

𝑸 1000.17 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝒌𝒄𝒂𝒍 = = 𝟏𝟐𝟎𝟎. 𝟐𝟎𝟒 1ℎ 𝒕 𝒉 50 𝑚𝑖𝑛 60 𝑚𝑖𝑛

 Realizar una gráfica de temperatura vs. Tiempo TALLER DE PROCESOS II

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Tiempo vs. Temperatura 70 60

Temperatura

50

Tiempo (min) 40 Temperatura del Tanque ºC 30 Temperatura del serpentin ºC

20 10

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

8. CONCLUSIONES: Por medio de las tablas se determinó correctamente el coeficiente individual de transmisión de calor en un tanque agitador, también se terminó el número de Reynolds, el gasto másico del fluido que circula a través del tubo, el calor trasferido y la potencia consumida en el proceso de transmisión de calor.

9. RECOMENDACIONES Poner mucha atención el en momento de la lecturas de las temperaturas y los tiempos medidos adecuadamente. Ser precavido en el manejo del agitador en el momento de la lectura de las temperaturas.

10. BIBLIOGRAFIA:  Guía de Laboratorio Ing. Ruiz

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 Ocontojo operaciones unitarias sexta edicion

11. ANEXOS:

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