OPERACIONES UNITARIAS BÁSICAS DE TRANSPORTE Y FLUJO DE FLUIDOS

LABORATORIO I. OPERACIONES UNITARIAS BÁSICAS DE TRANSPORTE Y FLUJO DE FLUIDOS.

Norma Alicia Carpio Moreno, Omar Alain Castillo Maldonado, André Francisco Cuevas Zepeda, Ángela Gisel Salazar Mendoza
normacarpio87@gmail.com, bken926@gmail.com, andre.cuevasz@gmail.com, alegnaagsm@gmail.com
Laboratorio de Ingeniería Química III, Equipo 2, Horario: 15:00 a 17:00, 19 de febrero de 2020. 

Introducción

El ingeniero químico tiene la capacidad de saber cómo obtener un producto (sustancia) a partir de un componente puro o una mezcla de reactivos, por lo que es necesario tener dominio de operaciones unitarias para poder lograr este objetivo.

En la primera práctica, el objetivo fue la elaboración de la curva característica de bombas centrífugas para la determinación del punto de operación para bombas que operan en diferentes arreglos. El funcionamiento general de las bombas es transformar la energía mecánica en energía cinética permitiendo así desplazar un fluido. Estas son muy comúnmente utilizadas en cualquier proceso industrial para transportar fluidos a diferentes partes del mismo proceso, por lo cual conocer su funcionamiento es de gran importancia. En estas, podemos observar un caudal de salida con una velocidad alta y una presión menor.

En la segunda práctica, se discutió, observó y comprobó la diferencia entre agitación y mezclado. Logramos ver el efecto de diferentes arreglos de sistemas de agitación haciendo variaciones de ciertos parámetros como la relación entre el ancho del tanque y la propela (impulsor), diferente tamaño de propela y variando el tipo de la misma (de tipo turbina, hélice o palas). Además, se comparó la agitación añadiendo y removiendo deflectores para ver qué efecto tienen estos sobre la agitación. Esto permitió ver el efecto en la agitación del tanque para determinar cuál arreglo resulta ser el óptimo.

Durante la tercera práctica se trabajó con una operación de separación fundamental para muchos procesos de separación sólido-líquido; la sedimentación. Se trabajó con la sedimentación en una probeta (batch), y en un sedimentador continuo. El objetivo del primer parte de la práctica fue determinar el tiempo de sedimentación de diferentes soluciones; cal, cal con sulfato de aluminio, y lodos minerales con cal. Es importante conocer dicho parámetro, ya que se utiliza en el diseño de procesos continuos, como lo es la sedimentación continua. Para la segunda parte de la práctica se hizo uso de los datos obtenidos del primer parte de la práctica para determinar los parámetros de flujo de alimentación y tiempo de residencia del sedimentador continuo. Se realizaron medidas absorbancia de las muestras extraídas del sedimentador utilizando una curva de calibración para ver qué tan clarificada salía el agua del otro extremo del sedimentador.

Materiales y Métodos 

I. Curvas de operación de bombas centrífugas.

Para esta práctica se utilizaron se ocupó el equipo con el arreglo de tuberías y válvulas de paso en los arreglos que se muestran en la Figura 1, dos bombas centrífugas, un depósito de agua de acrílico, un medidor de flujo, un medidor de presión, una válvula de control y agua. Primeramente, se llenó el depósito de agua (no hasta el tope), y se cerraron las válvulas de tal manera que solamente hubiera flujo de agua a través de una bomba. Se encendió la bomba para que empezara a bombear agua hacia la parte superior del sistema, atravesara la válvula de control (inicialmente estaba completamente abierta) y volviera a caer al depósito. Se midió el caudal y la presión para esas condiciones iniciales, se procedió a cerrar poco a poco la válvula hasta que se registrara un incremento de presión de 2inH2O, se volvió a realizar la lectura de flujo y presión, se cerró más la válvula hasta que registrara otro incremento de presión de 2inH2O y así sucesivamente hasta obtener suficientes mediciones. Posteriormente se realizó el experimento, pero con las bombas funcionando en serie (el flujo de agua atraviesa una bomba y es bombeado hacia la otra bomba).

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Figura 1. Arreglo de bombas y tuberías con válvulas.

II. Agitación y mezclado de tanques.

Para esta práctica se utilizó un vaso de precipitados de 500, 1000 y 2000 mL, un motor de velocidad variable, un medidor de velocidad radial (tacómetro, en revoluciones por minuto), flechas con diferentes impulsores como lo son de tipo turbina, hélice y palas, deflectores montables, y para poder visualizar el grado de mezclado del tanque se utilizó diamantina verde y esferas de polipropileno pequeñas y agua. El propósito de ésta práctica era determinar el arreglo óptimo para lograr el mejor mezclado, para lo cual, se realizaron pruebas de agitación con diferentes tipos de impulsores, a diferentes alturas del vaso (a la mitad, o al 30% de la altura máxima), y con vasos de diferentes tamaños (para comparar el efecto de la relación del diámetro del impulsor y el diámetro del vaso).

Ill. Velocidad de sedimentación y tiempo de residencia de un sedimentador continuo

Para realizar la primera parte de la práctica se utilizó una probeta de 250mL, agua, y diferentes soluciones de diferentes soluciones de cal, cal con sulfato de aluminio y lodos minerales con cal, y además un cronómetro. Se agitaron las soluciones y se accionó el cronómetro para luego tomar el tiempo que tardaban en sedimentar las soluciones. También, se tomó nota del nivel de agua clarificado (midiendo de arriba para abajo). Para la segunda parte de la práctica, se utilizó un equipo rectangular como sedimentador continuo (con un rebosadero), una pipeta, una perilla, tubos de ensayo, un espectrofotómetro, manguera de hule, una bomba centrífuga, y una solución de 50 g/L de lodos minerales. Previo al inicio de la práctica, se hizo una curva de calibración utilizando el espectrofotómetro. Para iniciar la práctica, se bombeó la solución hacia el sedimentador, hasta que comenzara a caer por el vertedero. Posteriormente se comenzó a tomar muestras del agua que salía del sedimentador cada minuto para medir la absorbancia de éstas y poder determinar la concentración a diferentes tiempos. Esto se realizó durante el tiempo necesario para que se cumpliera con el dato de tiempo de residencia calculado con los datos de la parte 1 de la práctica.

Resultados y Discusión 

I. Curvas de operación de bombas centrífugas.

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Figura 2. Curvas características de bombas a diferentes velocidades de giro.

Los datos obtenidos de forma preliminar son los que están plasmados en la figura 2, ya que estos fueron medidos directamente durante el experimento. Se puede analizar que a mayores velocidades de giro el cabezal obtenido es mayor, lo cual queda comprobado con la curva de la bomba 1 operando a 4000 rpm. Además, se puede ver que el rango de operación de las bombas a mayores velocidades de giro es mayor que el de las bombas a menores velocidades de giro.

A pesar de que la bomba 2 funcionó a 4000 rpm, su curva características es similar a la de la bomba 1 operando a 3500 rpm. Podemos inferir que esto es debido a la naturaleza del arreglo del experimento. Debido a que el tramo de tubería que debe atravesar el agua para entrar a la bomba 1 es menor al tramo para entrar a la bomba dos, se puede concluir que la bomba dos siempre tendrá menores cabezales debido a las pérdidas de carga. Esto mismo queda comprobado con la comparación y similitud de las dos bombas operando a 3000 rpm; a pesar de que son similares, los cabezales obtenidos por la bomba 1 son siempre mayores a mismos valores de caudal.

Es importante destacar que todas las curvas sí se comportaron como curvas, lo cual es muy importante al momento de analizar la tendencia de los datos, lo cual está apegado a la teoría de funcionamiento de las bombas.

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Figura 3. Curvas características para los arreglos de bombas en serie a diferentes velocidades de giro

De la anterior figura podemos rescatar varias cosas. Lo más importante es el hecho que en base a lo establecido anteriormente (a mayores velocidades de giro se obtiene mayor cabezal) se puede ver que dicha tendencia se conserva en el arreglo en serie, aunque no en la misma proporción. Para analizar de forma más clara la relación entre cabezal obtenido para los diferentes arreglos a mismos valores de caudal, debemos analizar la suma de las velocidades de giro de los diferentes arreglos. En general, los arreglos que tienen una mayor suma de velocidades de giro, presentan mayores cabezales.

Sin embargo, otro dato importante que se puede concluir es que los valores de cabezal máximo dependen de cuál de las dos bombas en serie se le da mayor velocidad de giro. Debido a que no se realizaron arreglos con valores inversos de velocidades de giro (por ejemplo, B1-3500rpm, B2-2500 y B1-2500, B2-3500), no se puede llegar a una conclusión al respecto debido a la falta de datos experimentales.

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*Figura 4. Comparación de los arreglos de bombas en serie y una sola bomba (1)

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*Figura 5. Comparación de los arreglos de bombas en serie y una sola bomba (2)

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