LABORATORIO DE FLUIDOS, SÓLIDOS Y TRANSFERENCIA DE CALOR Práctica 7. Reactor enchaquetado. PRE-INFORME Laura Viviana Álvarez Guerra Alexander Baena Novoa Sebastián Camilo Castañeda Mora Jorge Arturo Forero Torres Leidy Jimena Olaya Cubillos Lina María Peña Pardo Bibiana Raba Mora
I.
25492805 25492447 25492468 25492463 25492493 25492636 25492444
Objetivos:
-
Calcular la cantidad de calor transferida entre el vapor de caldera y un volumen de agua c ontenido en un reactor, a través del enchaquetamiento del mismo.
-
Realizar una aproximación del coeficiente de transferencia de calor, partiendo del calor transferido en el sistema, y el área reportada del enchaquetamiento. enchaquetamiento.
II.
Introducción: Aplicaciones importantes importantes de ingeniería de las reacciones químicas pueden ser encontradas dentro y fuera de industrias de procesos químicos, haciendo fundamental el estudio de las reacciones químicas y los factores que influyen estas a partir de la termodinámica termodinámica y la cinética. Este estudio generalmente con un objetivo de aplicación industrial se hace con condiciones de flujo (estacionario (estacionario o por lotes) y de proceso (isotérmico, isobárico y/o adiabático) que más convengan en la búsqueda de predecir fundamentalmente la velocidad con la que se da la reacción deseada en función de alguna variable de diseño como la concentración inicial de reactivos o la cantidad de catalizador, por lo que se requiere un equipo que garantice la reproducibilidad de los experimentos. Actualmente se dispone de un equipo en la planta piloto del Laboratorio de Ingeniería Química, que está siendo utilizado como evaporador simple por lotes en un proceso que implica la transferencia de calor agua-vapor de agua, sin embargo, su diseño, es decir, su capacidad, configuración y accesorios lo identifican como un reactor enchaquetado de flujo continuo, así que durante la práctica se tomara el análisis del proceso de evaporación por lotes, como un proceso de reacción química, para aplicar las ecuaciones pertinentes en cuanto al proceso de transferencia de calor del sistema.
III.
Marco teórico:
Los recipientes 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. Un modelo de un reactor enchaquetado típico se puede encontrar en la figura 1.
Figura 1. Reactor enchaquetado. Los resultados de las investigaciones de Colburn (1950) han dado pie a algunas amplías generalizaciones sobre el manejo de los reactores enchaquetados, las cuales se mencionan a continuación: o
o
o
o
o
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*pie 2*°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*pie 2*°F). Para el calentamiento o enfriamiento de hidrocarburos no viscosos, el coeficiente total deberá reducirse a cerca de 50 Btu/(h*pie 2*°F).
Un coeficiente de transferencia de calor seleccionado de los grupos anteriormente mencionados no puede incorporarse a la ecuación de Fourier Q=UA ∆T, excepto cuando el recipiente opere a régimen constante. Un recipiente enchaquetado puede adaptarse para operaciones de régimen constante cuando la entrada y la salida de materiales sea constante. Ya que los recipientes enchaquetados son fundamentalmente aparatos para procesar lotes (y durante la presente práctica se trabajará con lotes), la diferencia de temperatura durante el proceso de calentamiento o enfriamiento no es constante. El coeficiente debe, por lo tanto, sustituirse en una ecuación de estado inestable apropiada, que toman en consideración el tiempo requerido para cambiar la temperatura del lote y emplean una diferencia de temperatura que varía con el tiempo. Para la práctica en cuestión, se espera que la temperatura de salida del vapor no sea igual a la temperatura de entrada (esperando que sea un medio calefactor no isotérmico). Según Kern (19..), a una razón de flujo constante W y una temperatura de entrada T 1 (pero con una temperatura de salida variable t), se tiene que:
′ = , = , = ∆ 1 ∆ = = ln 2
Con ∆T:
Despejando para T 2 (la temperatura de salida del vapor):
= + , 3 , e igualando el segundo y el tercer término de la ecuación 1, se tiene que: , = , ( 1) 4
Sea K1=eUA/WCp, vapor
Con lo que queda una ecuación diferencial de primer orden:
= , ( 1) 5 , Ꝋ
Integrando en la ecuación 6:
1 , ∫ = , ( )∫ 6
Por lo que se obtiene, finalmente:
1)7 ln( ) = ,, ( Donde T representa las temperaturas en el vapor de calentamiento, t representa las temperaturas en el mezclado de alimentación y representa el tiempo.
Chilton, Drew y Jebens (1944) publicaron una correlación tanto para recipientes enchaquetados como para serpentines, ya sea para proceso de lotes o en condiciones de régimen constante empleando el factor j de Sieder Tate para transferencia de calor y un número de Reynolds modificado para agitación mecánica. Emplearon un agitador plano, y aunque la mayoría del trabajo se efectuó en recipiente de un pie de diámetro, se obtuvieron comprobaciones en recipientes cuyo tamaño era cinco veces el usado experimentalmente. Las desviaciones en las corridas efectuadas con agua fueron las más altas de todos los fluidos que se probaron, que incluyeron aceites lubricantes y glicerina, y que en algunos casos se desviaron 17,5%. Mack y Uhl (1947) presentaron y discutieron las aplicaciones adicionales del método de Chilton, Dre y Jebens, así como su cálculo, y encontraron que para recipientes enchaquetados la correlación mantiene su validez hasta el punto en el que la velocidad del agitador es tal que introduce aire al líquido. Para el agua, este punto corresponde a una velocidad del agitador de 200rpm, y para otros líquidos la velocidad fue mayor.
Las dimensiones esenciales para el cálculo son, como se muestra en la figura 1: altura de la porción húmeda del recipiente z, diámetro del recipiente Di, longitud de la paleta del agitador L, y la altura desde el fondo de la paleta hasta el fondo del recipiente B. Los estudios realizados por White y colaboradores (1934) indican que los requerimientos de potencia pueden determinarse en función del número de Reynolds modificado:
= 8 En donde L es la longitud en pies de la paleta, N es el número de revoluciones por hora, ρ es la densidad promedio y μ la viscosidad del líquido. Chilton, Drew y Jebens han empleado el mismo número de Reynolds para la transferencia de calor. Sus resultados están dados por la siguiente ecuación consistente:
ℎ = / (,í )/ ( ), 9 El valor de a dependerá del tipo de calentador y del agitador empleado, como se presenta en la tabla 1.
Tabla 1. Valores de a para ecuación 9 En Kern (19 …) existen gráficas lineales que representan estos coeficientes de transferencia de calor como función del número de Reynolds modificado, tal como la figura 2.
Figura 2. Coeficientes de transferencia de calor para chaquetas y serpentines. Las demandas de potencia están dadas por la ecuación dimensional de White y colaboradores, presentada a continuación:
ℎ = 1,2910−,,′,,,′,, 10 Dónde: y ancho del agitador en ft, N ’ velocidad en rps, μ’ en lb/ft*s Estas ecuaciones son válidas para agitadores de aspas localizados centralmente con L>0,3Di y con una altura
IV.
Desarrollo experimental: a. Descripción del equipo: El equipo (figura 1) consiste en un reactor enchaquetado con unidad de agitación y bomba de alimentación unificados en un soporte móvil. La bomba de alimentación está conectada a un tanque de alimentación sellado de una capacidad estimada de 10 galones, abierto a la atmósfera por dos orificios que sobresalen del mismo.
Figura 3. Equipo reactor enchaquetado. El equipo emplea vapor saturado (proveniente de las calderas que abastecen de vapor a toda la planta) como fluido de trabajo para transferir calor a la solución de interés. Hay una entrada lateral para el vapor saturado, la entrada de solución se encuentra en la parte superior y tanto el vapor condensado como la solución de interés tienen salida por la parte inferior del reactor. Hay una abertura que por su ubicación (cerca del centro del tanque) parece conectar con la solución y que actualmente está abierta a la atmósfera. La salida de condensado se divid e en dos corrientes en paralelo, cada una con una válvula de control de flujo y una de ellas con una trampa de vapor. Adicionalmente, en el laboratorio se contó con el diagrama presentado en la figura 4, que relaciona las medidas del reactor enchaquetado. Además, se muestra en la figura 5, las mediciones del agitador, antes de haber sido ensamblado dentro del reactor enchaquetado.
Figura 4. Plano interno reactor enchaquetado.
Figura 5. Mediciones agitador reactor enchaquetado. b. Desarrollo experimental: A continuación, se muestra un procedimiento para una carga de un lote al reactor enchaquetado:
Figura 6. Diagrama del procedimiento.
V.
Referencias:
- Perr y, J . II., “Chemical Engineers’ Handbook”, 3 d ed., P á g s . 461 -482. McGraw-HiIl Book Company, Inc. New York, 1950. -
Kern, D. (1950). Process heat transfer . New York: McGraw-Hill. Páginas 816-820
-
Chilton, T. H., T. B. Drew. and R. H. Jebens, Ind. Eng. Chem., 36. 510.516 (1944).
-
Mack, D. E. and V. W. Uhl, Ch. Eng. 54, No. 9, 119.125; No. 10, 116116 (1947). White, A. M., E. Bremer, G. A. Phillips. and M. S. Morrison. Trans. AIChE, 30, 535 (1934).
