Proceso Termodinamico Transitorio 5p3w48

LABORATORIO # 1 PROCESO TERMODINAMICO TRANSITORIO

1. OBJETIVO: Determinar la relación de transferencia de calor máxima permisible, hacia el agua para un determinado tiempo. 2. MARCO TEÓRICO: Las situaciones características que se estudian en la termodinámica básica corresponden a procesos en sistemas cerrados o en sistemas abiertos con flujo constante y estado estable. Sin embargo, el sistema abierto con flujo en condiciones no estables debe considerarse cuando se estudia el flujo transitorio. El flujo transitorio se caracteriza por que las propiedades de la materia fluente dependen tanto de la posición como del tiempo y, consecuentemente, el volumen de control puede sólo recibir o sólo ceder materia, o tomarla y cederla con gastos diferentes. Un ejemplo típico de un proceso de estado no estacionario puede ser la puesta en marcha de una columna de destilación, que alcanzará eventualmente un conjunto de condiciones de operaciones de estado estacionario. De hecho, cuando se examina con más detalle, se encuentra que la columna siempre opera en estado estacionario con pequeñas fluctuaciones de temperatura y composición, que se producen en todo momento, pero que posiblemente oscilan alrededor de los valores medios de estadio estacionario. El análisis dinámico ayuda a minimizar las desviaciones de las especificaciones del producto durante la puesta en marcha, parada o cambios en los niveles de operación. El concepto de calor se desarrolló originalmente en términos del cambio de temperatura en un proceso. Luego se entendió su relación con el concepto de energía.

Esta relación se recoge en la primera ley de termodinámica que es, en realidad, la ley de conservación de energía aplicada a los procesos termodinámicos. La diferencia más significativa es que la cantidad de masa dentro del sistema no permanece constante. Esta clase de problemas pueden en principio parecer más complicadas, una aplicación cuidadosa de la ecuación de conservación de masa y la energía ayuda a evitar confusiones.

En problemas transitorios debe darse particularmente atención a las condiciones de las corrientes de fluido entrando o saliendo del sistema. La suposición usual cuando se trata con problemas transitorios es considerar el estado del fluido como ci este entrara o saliera del sistema de forma uniforme. 3. EQUIPO EMPLEADOS:

MATERIALES  Autoclave  Cronómetro  Termómetro  Fuente de Calor (cocina hornilla)

SUSTANCIAS  Agua de grifo  Gas Licuado

4. DIAGRAMA DE EQUIPO

5. PROCEDIMIENTO  Determinar la masa de agua inicial y el volumen de la autoclave.  Medir el volumen interior de la autoclave, introducir 8 litros de agua a la autoclave,  Cerrarlo el autoclave,  Suministrar calor, hasta alcanzar la temperatura de 115ºC  seguir suministrando calor manteniendo la temperatura constante durante 25 minutos (abriendo la válvula para eliminar el fluido) al final de los 25 minutos medir la cantidad de agua residual, medir el volumen total de la autoclave. 5.1 ECUACIONES UTILIZADAS Volumen V

=

Calidad

Vf mf +

Vg m g

Masa del vapor m

g1

=X

1

U1 =

masa del líquido presente

m1

m f1 =m 1 -m

Ecuación de la conservación de la masa (m2 – m1) sist +

Uf + X1 (U g -U f )

Σm Salida

–

Σm =0 entrada

g1

Puesto que hay una salida y ninguna entrada 𝐦𝐬𝐚𝐥 = −(𝐦𝟐 − 𝐦𝟏 )𝐬𝐢𝐬𝐭 6 CÁLCULOS Y RESULTADOS. Para el autoclave Altura: 38.7Cm Diámetro: 38.5 Cm Volumen = 40.39 L Volumen practico = 38,56 L DENSIDAD: Masa del picnómetro= 11.1318 g Masa del picnómetro + agua= 21.2861 g Masa del agua = 10.1545 g

volumen del picnómetro= 10 mL

Densidad = 1.0154 g/mL DATOS DEL EXPERIMENTO: 𝑻𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍 = 𝟏𝟒 º𝑪 𝑽𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 𝟖 𝑳 𝑻𝒐𝒑𝒆𝒓𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 = 𝟐𝟒𝟎º𝑭 =≫ 𝑻𝒐𝒑𝒆𝒓𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 = 𝟏𝟏𝟓º𝑪 Poperacion = 10 PSI 𝒕𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 = 𝟑𝟎 𝒎𝒊𝒏 =≫ 𝒕𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 = 𝟐𝟏𝟎𝟎 𝒔𝒆𝒈 𝑽𝑨𝒖𝒕𝒐𝒄𝒍𝒂𝒗𝒆 = 𝟒𝟎 𝒍𝒊𝒕𝒓𝒐𝒔 𝒎𝑹𝒆𝒔𝒊𝒅𝒖𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 𝟔. 𝟖𝟗𝟑𝟐 𝑲𝒈 =≫ 𝑽𝒓𝒆𝒔𝒊𝒅𝒖𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 𝟔. 𝟓𝟒𝟎 𝑳 𝑸𝟏−𝟐 𝑸´ = ∆𝒕 Balance de Energía: 𝟏 𝐯𝟐 𝐠𝐳 𝟏 𝐯𝟐 𝐠𝐳 (𝐇 + + ) ∗ 𝐝𝐦𝐞𝐧𝐭𝐫 − (𝐇 + + ) ∗ 𝐝𝐦𝐬𝐚𝐥 + 𝐐𝟏−𝟐 − 𝐖𝟏−𝟐 𝟐 𝐠 𝐜 𝐠 𝐜 𝐞𝐧𝐭𝐫 𝟐 𝐠 𝐜 𝐠 𝐜 𝐬𝐚𝐥 = (𝐦𝟐 𝐮𝟐 − 𝐦𝟏 𝐮𝟏 )𝐬𝐢𝐬𝐭 −𝐇𝐬𝐚𝐥 𝐦𝐬𝐚𝐥 + 𝐐𝟏−𝟐 = (𝐦𝟐 𝐮𝟐 − 𝐦𝟏 𝐮𝟏 )𝐬𝐢𝐬𝐭 𝐐𝟏−𝟐 = 𝐇𝐬𝐚𝐥 𝐦𝐬𝐚𝐥 + (𝐦𝟐 𝐮𝟐 − 𝐦𝟏 𝐮𝟏 )𝐬𝐢𝐬𝐭 Balance de masa: 𝐦𝐞𝐧𝐭𝐫𝐚 − 𝐦𝐬𝐚𝐥𝐞 = (𝐦𝟐 − 𝐦𝟏 )𝐬𝐢𝐬𝐭

Reemplazando 𝐐𝟏−𝟐 = (𝐦𝟐 𝐮𝟐 − 𝐦𝟏 𝐮𝟏 )𝐬𝐢𝐬𝐭 − 𝐇𝐬𝐚𝐥 (𝐦𝟐 − 𝐦𝟏 )𝐬𝐢𝐬𝐭 … … …. (1) Cálculo de la entalpía de salida: 𝐇𝐬𝐚𝐥 = 𝐇𝐠 𝐚 𝐓 = 𝟏𝟏𝟓 º𝐂 Por tablas 𝐇𝐠 = 𝟐𝟔𝟗𝟗. 𝟎

𝐊𝐉 𝐊𝐠

=≫

𝐇𝐬𝐚𝐥 = 𝟐𝟔𝟗𝟗. 𝟎

𝐊𝐉 𝐊𝐠

Ecuaciones y Cálculos. 𝟏𝟎𝟏𝟓. 𝟒 𝑘𝑔 = 8.1232 𝑘𝑔 𝐻2 𝑂 1𝑚3 𝟏𝟎𝟏𝟓. 𝟒 𝑘𝑔 → 0.006540 𝑚3 × = 6.6407 𝑘𝑔 𝐻2 𝑂 1𝑚3

𝑚1 → 0.008 𝑚3 × 𝑚2

𝑣1 =

𝑎

𝑣 0.04039 𝑚3 𝑚3 = = 4.972 × 10−3 𝑚1 8.1232 𝑘𝑔 𝑘𝑔

𝑇 = 115 °𝐶 →

3

𝑣𝑓 = 0.001056 𝑚 ⁄𝑘𝑔 3 𝑣𝑔 = 1.0366 𝑚 ⁄𝑘𝑔

1. Determinar la calidad inicial. 𝑥1 =

𝑣1 − 𝑣𝑓 𝑣𝑔 − 𝑣𝑓

=

4.972 × 10−3 − 0.001056 = 0.003782 1.0366 − 0.001056

2. Determinar la masa del vapor y masa del líquido presente 𝑚𝑔1 = 𝑥1 × 𝑚1 = 0.003782 × 8.1232 𝑘𝑔 = 0.0307𝑘𝑔 𝑚𝑙1 = 𝑚1 − 𝑚𝑔1 = (8.1232 − 0.0307)𝑘𝑔 = 8.0925𝑘𝑔

3. Balance de Materia

(𝑚2 − 𝑚1 )𝑠𝑖𝑠𝑡. + ∑ 𝑚 − 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

=0

∑ 𝑚=0

𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

∑ 𝑚 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠: (𝒎𝟐 − 𝒎𝟏 )𝒔𝒊𝒔𝒕. = −𝒎𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 (6.6407 − 8.1232)𝑘𝑔 𝐻2 𝑂 = −(1.4825)𝑘𝑔 𝐻2 𝑂 𝒎𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 = 𝟏. 𝟒𝟖𝟐𝟓 𝒌𝒈 𝑯𝟐 𝑶

4. Calculemos la masa de vapor final y la masa del líquido final 3

𝑚𝑔2

0.04039 𝑚3 − 6.6407 𝑘𝑔 × 0.001056 𝑚 ⁄𝑘𝑔 𝑣 − 𝑚𝑓2 × 𝑣𝑓2 = = = 0.0322 3 𝑣𝑔2 1.0366 𝑚 ⁄𝑘𝑔

𝑚𝑙2 = 𝑚2 − 𝑚𝑔2 = (6.6407 − 0.0322 )𝑘𝑔 = 6.6085 𝑘𝑔 5. Calculemos la calidad final

𝑥2 =

𝑚𝑔2 0.0322 𝑘𝑔 = = 0.00485 𝑚2 6.6407 𝑘𝑔 6. Determinemos 𝑼𝟐 , 𝑼𝟏 y 𝑯𝟐

𝑎

𝑇 = 115 °𝐶 →

kJ 𝑈𝑓 = 482.30 ⁄𝑘𝑔 kJ 𝑈𝑓𝑔 = 2041.4 ⁄𝑘𝑔 kJ 𝐻𝑔 = 2699.0 ⁄𝑘𝑔

kJ kJ 𝑈2 = 𝑈𝑓2 + 𝑥2 × 𝑈𝑓𝑔2 = 482.30 ⁄𝑘𝑔 + 0.00485 × 2041.4 ⁄𝑘𝑔 = 𝑈2 = 492.2008

kJ ⁄𝑘𝑔

𝐻𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝐻𝑔 = 2699.0

kJ ⁄𝑘𝑔

kJ kJ 𝑈1 = 𝑈𝑓1 + 𝑥1 × 𝑈𝑓𝑔1 = 482.30 ⁄𝑘𝑔 + 0.003782 × 2041.4 ⁄𝑘𝑔 = kJ 𝑈1 = 490.0205 ⁄𝑘𝑔

7. Determinar la cantidad de calor requerido 𝑸𝟐−𝟏 = −𝑯𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 (𝒎𝟐 − 𝒎𝟏 )𝒔𝒊𝒔𝒕. + (𝒎𝟐 𝑼𝟐 − 𝒎𝟏 𝑼𝟏 )𝒔𝒊𝒔𝒕.

kJ kJ 𝑄2−1 = 2699.0 ⁄𝑘𝑔 × 1.4825𝑔 𝐻2 𝑂 +(6.6407 𝑘𝑔 × 492.2008 ⁄𝑘𝑔 − 8.1232 𝑘𝑔 × kJ 490.0205 ⁄𝑘𝑔) 𝑸𝟐−𝟏 = 𝟑𝟐𝟖𝟗. 𝟐𝟗𝟎𝟖 𝐤𝐉 8. Finalmente determinemos la relación de transferencia de calor máxima 𝑄𝑂 =

𝑄2−1 𝟑𝟐𝟖𝟗. 𝟐𝟗𝟎𝟖 kJ = = ∆𝑡 1500𝑠𝑒𝑔

𝑸𝑶 = 𝟐. 𝟏𝟗𝟐𝟖 𝐾𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠

CONCLUSIONES 

Se determinó la relación de transferencia de calor permisible hacia el agua en un tiempo de 25 minutos dando como resultado :



𝑄̇ = 2.1928 𝐾𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠



Se consideró el estado del fluido como si éste entrara y saliera de manera uniforme.

RECOMENDACIONES  Es importante que el sistema se encuentre bien armado y no se produzcan fugas de vapor por ningún lado esto con el fin de que no exista fuga de vapor de agua  Se recomendaría para esta práctica poder a tener en cuenta el cuidado contra el vapor de agua al momento de liberar del auto clave BIBLIOGRAFÍA  https://neetescuela.org/clasificacion-de-los-procesos-quimicos  https://curiosoando.com/como-funciona-un-autoclave  Guia del ing. Cesar Ruiz

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS FACULTAD DE TECNOLOGÍA QUÍMICA INDUSTRIAL

PRACTICA N1

PROCESO TERMODINAMICO TRANSITORIO

UNIVERSITARIOS:

CADENA VARGAS EDWIN ALCIDES

DOCENTE: ING. CESAR RUIZ