PRACTICAS DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA 3 PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA N° 2 BALANCE DE MATERIA SIN REACI
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PRACTICAS DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA
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PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA N° 2 BALANCE DE MATERIA SIN REACIÓN QUÍMICA EN TANQUES 1. OBJETIVO •
Comprobar prácticamente el proceso de acumulación en un balance de tanque estacionario
•
Comprobar prácticamente el proceso de acumulación en un balance de tanque transitorio
•
Comparar la Práctica con el Modelo Matemático del tanque estacionario y del tanque transitorio
2. FUNDAMENTO TEÓRICO Los balances de materia permiten conocer los caudales y las composiciones de todas las corrientes de un sistema. En un proceso en el que tienen lugar cambios el balance de materia informa sobre el estado inicial y final del sistema. Los balances se plantean alrededor de un entorno, una determinada región del espacio perfectamente delimitada. El balance de materia tiene la forma: SALIDA - ENTRADA + GENERACIÓN = ACUMULACIÓN Según el caso ante el que nos encontremos este balance puede ser modificado, desapareciendo algunos de sus miembros. En un sistema en régimen no estacionario las variables físicas, químicas, mecánicas y termodinámicas del sistema no permanecen constantes con el tiempo. La ley de conservación puede aplicarse a la masa total del sistema o a la de cualquier componente individual que pertenezca a éste. Partiendo de la ley de conservación: SALIDA - ENTRADA + GENERACIÓN = ACUMULACIÓN SALIDA - ENTRADA: cantidad de propiedad que cruza los límites del sistema en uno u otro sentido por unidad de tiempo. ACUMULACIÓN: cantidad de propiedad existente en el sistema e un momento dado menos la que había en un instante inmediatamente anterior dividido entre el intervalo de tiempo. Puede ser positiva o negativa, según la cantidad de propiedad contenida en el sistema aumente o disminuya. GENERACIÓN: cantidad de propiedad que aparece o desaparece dentro del sistema por unidad de tiempo, sin estar presente inicialmente en el sistema y no habiendo atravesado sus límites. Puede ser positiva o negativa según aparezca o desaparezca propiedad. Concretamente en nuestra experiencia la generación es nula. Balance total de materia expresado en masa. Es una magnitud conservada, ya que el término de generación es nulo. El balance de materia se expresa como:
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Ing. ROLANDO BASURCO CARPIO
m −m 2
1
+
dM = 0 donde dt
m2: caudal másico de salida (Kg/s). m1: caudal másico de entrada (Kg/s). M: cantidad de materia total (Kg). Obsérvese que el término de generación es nulo. Si las densidades de las corrientes de entrada y salida admitimos que son constantes en toda la sección, aunque corriente a corriente sean distintas, el balance anterior se puede expresar en función del caudal volumétrico Q L (m3/s) y la densidad (Kg/m3):
2
QL 2 − 1 QL1 +
d( V ) =0 dt
Si admitimos que la densidad es constante en todo el sistema (como en nuestro caso), se puede escribir como:
Q
L2
− QL1 +
dV =0 dt
Balance de componentes en unidades másicas. En el caso de que no suceda ninguna reacción química el término de generación será nulo. El balance queda como:
m
j2
− m j1 +
dM j dt
= 0 donde
mj: caudal parcial másico (Kg comp. j / s). Se halla como m j = QL·Cj. Cj: concentración másica del componente j (Kg comp. A / m 3). Mj: Cantidad del componente j contenida en el sistema (Kg) En nuestro caso la generación es nula, el volumen permanece constante (las corrientes de entrada y salida son únicas e idénticas), la concentración de la corriente de salida coincide con la concentración en el interior del sistema (tanque perfectamente agitado) y la densidad permanece constante. Por ello podemos escribir: QL C j 2 − QL C j1 + V
dC j dt
= 0 donde
Cj2 = Cj QL2 = QL1 = QL En nuestro caso el término QL·Cj1 es nulo debido a que el HCl no entra al sistema por medio de una corriente sino que es añadido puntualmente con una probeta al inicio del experimento y ya no vuelve a agregarse más.
3. MATERIAL Y REACTIVOS
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•
Sistema de Tanques del Laboratorio de Balance de Materia y Energía
•
Balde graduado en Volumen para medir
•
Cronometro
•
Bureta de 50 ml
•
Ácido Muriático
•
Soporte de Bureta
•
Agua
•
Pipeta de 10 ml.
•
Hidróxido de Sodio
•
Vasos de 250 ml.
•
Fenolftaleína
4. PROCEDIMIENTO 1er Experimento - Lavar los tanques para retirar material no deseable que tiene adherido. - Preparar 8 litros de solución con 4 g/l de ácido muriático (HCl) cuyas características son las siguientes: Concentración 19 % de HCl , densidad 1.09 g/ml. - Alimentar esta solución al tanque central, teniendo en cuenta que la válvula este completamente cerrada. - En un tanque superior llenar 8 l de agua pura, cuidando que la válvula este completamente cerrada. - Tomar una muestra del tanque central de 5 ml. y titular con solución de hidróxido de sodio 0.1 M preparado previamente, usar como indicador fenolftaleína, anotar el gasto para determinar la concentración de esta solución en g/l. Luego abrir simultáneamente las válvulas del tanque superior y del central a un flujo de 0.4 l/min, respectivamente y agitar constantemente con la paleta el tanque central. Iniciando desde este momento la medición del tiempo mediante un cronometro tomando una muestra de la solución que sale del tanque central cada 4 minutos y titulándolo con solución de hidróxido para calcular su concentración en g/l. - Los datos obtenidos resumirlos en una tabla como la siguiente: Tiempo
Volumen HCl
Gasto deTitul
[HCL] Practico
[HCl] Teórico
Minutos
ml
ml
g/l
g/l
La concentración de HCl teórico se calculara con el modelo matemático de
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Ing. ROLANDO BASURCO CARPIO
tanques estacionarios.
2do Experimento - Preparar 8 litros de solución con 4 g/l de ácido muriático (HCl) cuyas características son las siguientes: Concentración 19 % de HCl , densidad 1.09 g/ml. - Alimentar esta solución al tanque central, teniendo en cuenta que la válvula este completamente cerrada. - En un tanque superior llenar 8 l de agua pura, y en el otro 8 l de una solución de 4 g/l, cuidando que las válvulas estén completamente cerradas. - Tomar una muestra del tanque central de 5 ml. y titular con solución de hidróxido de sodio 0.1 M preparado previamente, usar como indicador fenolftaleína, anotar el gasto para determinar la concentración de esta solución en g/l. Luego abrir simultáneamente las válvulas del tanque superior a un flujo de 0.4 L/min y del central a un flujo de 0.47 l/min, respectivamente y agitar constantemente con la paleta el tanque central. Iniciando desde este momento la medición del tiempo mediante un cronometro tomando una muestra de la solución que sale del tanque central cada 4 minutos y titulándolo con solución de hidróxido para calcular su concentración en g/l. - Los datos obtenidos resumirlos en una tabla como la siguiente: Tiempo
Volumen HCl
Gasto deTitul
[HCL] Practico
[HCl] Teórico
Minutos
ml
ml
g/l
g/l
La concentración de HCl teórico se calculara con el modelo matemático de tanques estacionarios.
3er Experimento Se hará lo mismo que en el segundo experimento solo cambiando las velocidades de descarga del tanque central a 0.5 l/mint. Y continuar con todo los puntos anteriores. - Los datos obtenidos resumirlos en una tabla como la siguiente:
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Tiempo
Volumen HCl
Gasto deTitul
[HCL] Practico
[HCl] Teórico
Minutos
ml
ml
g/l
g/l
La concentración de HCl teórico se calculara con el modelo matemático de tanques estacionarios.
5. NORMAS DE SEGURIDAD - Tener mucho cuidado al preparar las soluciones del experimento considere que no se hecha agua sobre el ácido sino ácido sobre el agua - De contactar con los reactivos lavarse con abundante agua para evitar quemaduras
6. CUESTIONARIO 6.1. Preparar con los datos de tiempo practico y teórico una grafica de comparación, analizar y comentar lo observado 6.2. Con los datos obtenidos de tiempo y concentración práctica, linealizar para determinar el modelo matemático practico y compararlo con el modelo matemático teórico. 6.3. ¿Definir que es Acumulación y porque el termino generación se considera o en el Balance de tanques? 6.4. Un tanque contiene 240 l de agua pura, una solución acuosa de NaCl contiene 0.1 Kg de sal/l y se alimenta al tanque de agua a razón de 12 l/min y la mezcla agitada sale del tanque al mismo gasto a) Que cantidad de sal contiene el tanque en cualquier instante b)Cuando contendrá 0.07 Kg de sal/l de solución que sale del tanque. (Resolver Problema) 5.5. Un tanque contiene 300 l de agua pura. Se le suministra una solución de BaSO4 a razón de 10 l/min, conteniendo 0.4 Kg de BaSO 4 /l de solución y del tanque sale un flujo de 16 l/min a) Halle la concentración de BaSO 4 al cabo de t minutos b) La concentración a los 15 minutos. (Resolver Problema)
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