PREINFORME: REACTOR ENCHAQUETADO Cristhian David Cáceres Mateus, Jairo Andrés Cordero Murcia, Cristian Yamid Yamid Cruz Baquero, Héctor Mauricio Hernández Neira, Vannesa Vannesa Morales am!rez, Anderson "e#ton Vaca$ %& de se'tiem(re de %)*&$ OBJETIVOS General: Com're Com'rende nderr c+mo c+mo desde desde la unci+ unci+n n un reacto reactorr encha enchaque quetad tado o homo-é homo-éne neo o con a-itaci+n en estado intermitente, realizar valoraciones de en+menos de trans'orte como lo es la transerencia de calor$ Específicos: . ealiz ealizar ar el (ala (alance nce -lo( -lo(al al de ener ener-!a -!a del del equi' equi'o$ o$ . Hallar Hallar los coeicien coeicientes tes de transe transerenci rencia a de calor calor 'ara -lo(al -lo(al de de este reactor reactor$$ . A'reciar A'reciar el eecto eecto de la tur(ule tur(ulencia ncia -enerad -enerada a 'or la a-itaci+ a-itaci+n n so(re el el coeicient coeiciente e de transerencia de calor 'ara un mismo sistema$
INTRODUCCIÓN /n reacto reactorr enchaq enchaquet uetado ado es un reci'ie reci'iente nte que está está dise0a dise0ado do 'ara 'ara conte contener ner # controlar la tem'eratura de sistema de una o varias ases mediante el uso de una camisa 'or camisa 'or la cual circula un luido caliente o r!o 1con res'ecto a la tem'eratura del lui luido do cont conten enid ido2 o2 con con el in in de cale calent ntar ar o enr enria iarr la sust sustan anci cia a all! all! de'o de'osi sita tada da,, res'ectivamente$ 3eneralmente este ti'o de reactores se utiliza 'ara a'ortar el calor que necesita una reacci+n qu!mica u otros 'rocesos como 'or e4em'lo el mezclado de un slurry de 'roceso 1'asta mu# viscosa, 'or e4em'lo 'ara la 'roducci+n de 4a(+n en 'olvo2$ "os ha# con o sin a-itaci+n # de ti'o homo-éneo homo-éneo o hetero-éneo, en esta 'ráctica se tra(a4ará con un reactor r eactor de ti'o homo-éneo con a-itaci+n en estado intermitente 'ara determinar los coeicientes de transerencia de calor del equi'o # que eecto tienen so(re estos la tur(ulencia -enerada 'or el a-itador con el que cuenta el equi'o5 el luido al cual se le va a transerir calor en el reactor es a-ua del -rio del la(oratorio, es decir no ha(rá reacci+n qu!mica en el sistema$
MARCO TEÓRICO eactor qu!mico6 7s un instrumento dentro del cual las sustancias suren un cam(io de com'osici+n de(ido a una o varias reacciones qu!micas$ 8ara estos encontramos dos ti'os de sistemas, el sistema homo-éneo hace reerencia a la 'resencia de una 9nica ase donde se 'uede asumir que la com'osici+n es idéntica en cualquier 'arte del sistema, # el sistema hetero-éneo donde se encuentran 'resentes varias ases$ "a fase es fase es una re-i+n uniorme del sistema o, dicho de otra orma, es el sitio donde las 'ro'iedades !sicas # qu!micas del sistema tienen el mismo com'ortamiento$ "os
reactores con agitación mecánica cum'len con la unci+n de -enerar tur(ulencia haciendo ma#ores los coeicientes de transerencia de calor, mientras que los que no cuentan con un sistema de a-itaci+n dan evidencia de un en+meno de convecci+n natural de(ido a que el luido contenido en el sistema se encuentra estancado$ "os 'rocesos de transerencia de calor intermitentes son en los que ocurren cam(ios discontinuos de calor con cantidades es'ec!icas de material, como cuando se calienta una cantidad de l!quido en un tanque o se em'ieza a calentar un horno rio$ 7n estos 'rocesos 'ara calentar l!quidos el tiem'o requerido 'ara la transerencia de calor usualmente 'uede modiicarse aumentando la circulaci+n del lote del l!quido, el medio de transerencia de calor am(os$ 7n el caso de esta 'ráctica la circulaci+n de los lotes del l!quido # del medio caleactor se mantendrán constantes # se variará la velocidad de -iro del rotor de las as'as que contiene el reactor$ :e realiza el e;'erimento 'or lotes 'or sim'licidad de los cálculos$
Determinación calor entregado por el vapor vivo6 8ara la entrada del va'or se mide la 'resi+n # la tem'eratura, 'or tanto es 'osi(le corro(orar que in-resa al sistema como va'or saturado5 en la salida se su'ondrá que se encuentra como l!quido saturado 'ara minimizar cálculos 1tam(ién de(ido a que no se conoce la calidad en la mezcla l!quido < va'or de salida2 #a que la transerencia de calor se determina a 'artir del calor latente de va'orizaci+n 1teniendo en cuenta que es una condensaci+n2$ 8ara determinar el lu4o de va'or se em'lea una 'ro(eta # un cron+metro, # 'ara hallar la tasa de transerencia de calor se em'lea la si-uiente ecuaci+n6 Q=mλ
7C$ *
D+nde6
( ) ( ) ( )
Q 6 calor transerido
m6 es el lu4o másico λ 6 calor latente
BTU S
kg S
BTU kg
Nota: λ de ta(las de 'ro'iedades termodinámicas 'ara el a-ua a la tem'eratura de entrada del va'or vivo$ Determinación del coeficiente del coeficiente global de película del equipo6 :e va a usar una e;'resi+n 'ara el cálculo del coeiciente de calor de un 'roceso 'or lotes con a-itaci+n # con transerencia de calor 'or medio de un ser'ent!n sumer-ido cuando el arre-lo es en contracorriente 'ro'uesta 'or Bro=man, Mueller # Na-le
1>ern, 8rocesos de transerencia de calor2, estás e;'resiones son válidas tanto 'ara ser'entines sumer-idos como 'ara reci'ientes enchaquetados$ 8ara la utilizaci+n de las e;'resiones se tienen en cuenta las si-uientes su'osiciones6 / 1Coeiciente -lo(al de transerencia de calor2 es constante 'ara todo el 'roceso # toda la su'ericie 7l lu4o del l!quido es constante Calores es'ec!icos constantes 'ara el 'roceso 7l medio caleactor tiene una tem'eratura constante de entrada "a a-itaci+n 'roduce tem'eratura uniorme en todo el l ote No ha# cam(ios 'arciales de ase 1No 'uede ha(er eva'oraci+n 'arcial del l!quido contenido en el reactor # condensaci+n 'arcial del va'or vivo2 "as 'érdidas de calor des'recia(les$
•
• • • • •
•
7ntonces, 'ara un ser'ent!n en tanque o reci'iente con chaqueta con medio caleactor isotérmico se considera un reci'iente con una masa M 1l(2 de l!quido con calor es'eciico 1c'2 # tem'eratura inicial t 1 # que se calienta 'or medio condensante a la tem'eratura T 1 $ "a tem'eratura t 2 del lote a cualquier tiem'o θ 1s2está dada 'or el (alance dierencial de calor$ :i B?/ transeridos, entonces, 'or unidad de tiem'o6
dQ
=
dQ dθ
'
Mcp
=
( ) dt dθ
=
Q' es el n9mero total de
7C$ %
UA∆t
d+nde ∆ t =T 1−t
7C$ @
entonces6 dt UA = ∆ t dθ Mcp
e inte-rando de
ln
(
T 1− t 1 T 1− t 2
)
=
UAθ Mcp
7C$
t 1 a
t 2 # del tiem'o ) a
θ , se o(tiene6
7C$
donde la 9nica varia(le que se desconoce es /
(
BTU 2
m K s
)
de(ido a que A
(m ) 2
se estima 'or medio de la medici+n del 'er!metro e;terior de la chaqueta # se corri-e el diámetro corres'ondiente a este con un actor de correcci+n de ),$ Influencia de la agitación sobre el cálculo del coeficiente de película del vapor 6 8ara determinar la de'endencia del coeiciente -lo(al de transerencia de calor con res'ecto al eecto de la a-itaci+n se realizan los cálculos mencionados anteriormente, 'ero esta vez variando la velocidad del a-itador se-9n lo indique el 'roesor$ :e hace una re'resentaci+n -ráica de los 'untos / vs 'm del a-itador 'ara o(servar el com'ortamiento de los coeicientes hallados$ Determinación del balance global de energía según6 Qvapor =Qlíquido + Q pérdidas mλ=m cp L ( T 2− T Li )+ Q pérdidas
7C$ & 7C$
Aunque 'ara el cálculo de los coeicientes -lo(ales de transerencia de calor se considera que no ha# 'érdidas de ener-!as hacia los alrededores del sistema, las 'erdidas serán de(ido a que el equi'o, aunque esté dise0ado 'ara tener las menores 'érdidas 'osi(les de ener-!a no es 'osi(le tener un sistema totalmente adia(ático$ Acá se ve 'resentada la dierencia entre el reactor enchaquetado # el de ser'ent!n de(ido a que en el ser'ent!n todo el calor es cedido al l!quido contenido, mientras que en el reactor enchaquetado la transerencia se da hacia el l!quido contenido # hacia los alrededores$
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL *$ %$ @$ $
"lenar el de'+sito de a-ua$ 7ncender el a-itador$ A(rir el 'aso de va'or 'or la chaqueta$ ?omar tem'eraturas iniciales del de'+sito de a-ua # de la entrada de va'or vivo el cual sure una condensaci+n isotérmica$ $ ?omar tem'eraturas del l!quido contenido en el reactor cada %) se-undos 'ara hallar un 'eril de tem'eraturas con res'ecto al tiem'o, tener cuidado con no su'erar la tem'eratura donde se em'iece a eva'orar este$ &$ Cuando la tem'eratura esté un 'oco de(a4o de )EC se retira el l!quido contenido en el reactor$ $ :e vuelve a llenar el reactor con la misma masa de l!quido # se re'ite el 'rocedimiento 'ara velocidades de -iro del a-itador dierentes 1, ), @, @) 8M2$
DIAGRAMA DEL EQUIPO
1iv2
vi
1i2
v
1iii2
vii 1ii2
D+nde6 1i2 7s el tanque donde se vierte el a-ua que será suministrada al reactor enchaquetado 1iii2 'or medio de una (om(a 'eristáltica 1ii2$ 1iv2 7s el a-itador del reactor$ 1v2 es el medidor de 'resi+n de la entrada de va'or vivo, en este mismo 'unto ha# una termocu'la 'ara medir T 1 $ 1vi2 es una termocu'la 'ara medir t 1 $ 1vii2 es una termocu'la 'ara medir t 2 $ ódigo de colores para los flu!os6 Azul6 corriente del l!quido 'ara llenado del reactor a t 1 Naran4a6 corriente del l!quido calentado en el reactor a t 2 'ara el tiem'o θ 3ris6 7ntrada # salida del va'or vivo # del condensado, res'ectivamente, a T 1 • •
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BIBLIOGRAFÍA: >ern D$ 8rocesos de transerencia de calor$ 7ditorial Continental$ Mé;ico, *FF$ Gncro'era $5 undamentos de transerencia de calor, Mé;ico, *FFF$
