INFORME DE LABORATORIO SECADOR DE TÚNEL

Universidad de Concepción
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química
INFORME DE LABORATORIO
SECADOR DE TÚNEL
Integrantes
:
Profesor
Ayudante
Grupo
Fecha
:
:
:
:
Andrés Canales. (Expositor)
Daniel Carrera.
Boris Oportus.
Francisca Velásquez. (Líder)
Rodrigo Bórquez.
Paola Bustos.
B.
7 de septiembre de 2009.
1
SUMARIO
El objetivo de éste experimento consiste en la determinación de parámetros de
transferencia de calor y de masa, tomando como base curvas de secado y curvas de
velocidad de evaporación para el caso de un sistema acetona-aire.
El equipo a utilizar es un secador de túnel en el que es posible variar la
temperatura de flujo de aire por resistencias eléctricas y la velocidad superficial del aire
mediante la manipulación del ventilador. Se determinarán las propiedades del aire con
la carta psicrométrica del sistema y datos de temperaturas.
Se llevará a cabo el experimento usando velocidad superficial del gas a un valor
constante, mientras que para la muestra se variará la temperatura de éste cambiando sus
resistencias. De este modo será posible apreciar el efecto de la temperatura sobre los
parámetros a estudiar.
De prueba se realiza un test con un sistema aire-agua para poder comprobar los
datos bibliográficos existentes de este, obteniendo los siguientes valores:
 kg agua 
Nc  1,844 104 
2
 m s 
 J 
hc
 1616 

kY
 kg K 
Existe una diferencia de un error relativo de 0.7, respecto al valor de referencial
 J 
(950 
 ) , debido a las perturbaciones que afectaron el sistema, mientras se
 kg K 
realizaban las mediciones (vibraciones), la consideración de una superficie lisa como
primera aproximación para el estudio del sistema (la superficie real es porosa).
Otra posible causa de error es la medición de las temperaturas por efectos de
una lectura inapropiada (la calibración) de las termocuplas.
2
NOMENCLATURA
Símbolo
Definición
Unidades
CA
Capacidad calorífica del vapor
CA,L
Capacidad calorífica de A en
fase líquida
 J 
 kg °C 


 J 
 kg °C 


CB
Capacidad calorífica del gas
Cs
Calor húmedo
dt
D
Diferencial de tiempo
Difusividad del vapor en el gas
GS’
Flujo másico del gas seco
hG
Coeficiente de transferencia de
calor por convección
H’
Entalpía de la mezcla
H’L
Entalpía del líquido
ky
Coeficiente local de
transferencia de masa
MA
Masa molar de vapor
MB
Masa molar de gas
NC
Rapidez de secado
pA
pA
pB
pt
SS
T0
Tas
Presión de vapor del vapor
Presión parcial del vapor
Presión parcial del gas
Presión total
TDP
Masa de sólido seco
Temperatura de referencia
Temperatura de saturación
adiabática
Temperatura de rocío
TG
Temperatura de bulbo seco
 J 
 kg º C 


 J 
 kg º C 


[hora]
 m2 
 s 
 
 kg 
 m 2 s 
W 
 m 2 s 
 J 
 kg 
 
 J 
 kg 
 
m
 s 
 g 
 mol 
 g 
 mol 
 kg 
 m 2 s 
[atm]
[atm]
[atm]
[atm]
[kg]
[ºC]
[ºC]
[ºC]
[ºC]
3
TW
Temperatura de bulbo húmedo
[ºC]
H
Volumen húmedo
yA
Fracción molar del vapor
yB
Fracción molar del gas
 m3 
 kg aire 


 mol de vapor 
 mol de mezcla 
 mol de gas 
 mol de mezcla 
Y
Humedad absoluta molar
Y’
Humedad absoluta másica
Y’as
Humedad absoluta másica de
saturación adiabática
YW
Humedad absoluta molar a
temperatura de bulbo húmedo
Xbs
Contenido de humedad en base
seca
Xbh
Contenido de humedad en base
húmeda
A
de
n
Área superficial del sólido
Diámetro equivalente
Número de esferas de sílica
 moles de vapor 
 moles de gas 


 kg de vapor 
 kg de gas 


 kg de vapor 
 kg de gas 


 kg de vapor 
 kg de gas 


 kg de vapor 
 kg de sólido seco 




kg de vapor


 kg de sólido húmedo 
[m2]
[m]
Alfabeto griego
Símbolo
Definición
Unidades
f
Difusividad térmica
 m2 
 s 
 
0
Calor de vaporización a T0
DP
Calor latente de vaporización
del vapor a TDP
W
Calor latente de vaporización
a TW
f
Viscosidad cinemática
J 
 kg 
 
J 
 kg 
 
J 
 kg 
 
 m2 
 s 
 
Números adimensionales
4
Símbolo
Definición
Le
Pr
Sc
Número de Lewis
Número de Prandtl
Número de Schmidt
ÍNDICE
5
1. INTRODUCCIÓN
6
La ingeniería química trata de procesos industriales en los que materias primas se
transforman o separan en productos útiles. Sin embargo, el camino
hacia dicho
producto es un proceso largo y complicado que por simplicidad se puede separar en una
serie de etapas, denominadas operaciones.
En las operaciones unitarias, existen aquellas que se relacionan con el problema
de modificar la composición de sustancias o mezclas mediante métodos que no
involucren reacciones químicas y reciben el nombre de operaciones de transferencia de
masa. Dichas operaciones son de real importancia, ya que en la naturaleza no existe
compuesto en su estado puro y luego de un proceso es necesario llevar el producto a una
concentración aceptable o simplemente, porque se requiere la separación de productos y
subproductos.
Particularmente dentro de las operaciones de separación existen las operaciones
de secado que consisten en la reducción de humedad en una determinada sustancia. En
nuestro caso disminuiremos la humedad de un sólido por evaporación en una corriente
de gas mediante transferencia de calor y materia simultáneos.
Las operaciones de secado se pueden clasificar en continuas o por lotes y la
decisión radica en la naturaleza del sólido a secar y de las características propias del
proceso. El secado continuo puede ser en paralelo o en contracorriente y dependerá del
sólido cual proceso utilizar. Por ejemplo, para una sustancia que no puede soportar
temperaturas altas (como las proteínas de la leche) lo recomendado es utilizar un flujo
en paralelo, ya que cuando el sólido se pone en contacto con el gas en la entrada, la
película de líquido en la superficie protege al sólido.
En el presente laboratorio se secará pulpa de celulosa que contiene acetona
expuesta a una corriente de aire que fluye continuamente (secado por lotes) y se
determinarán experimentalmente parámetros característicos del secado utilizando una
carta psicométrica y la curva de secado construida a partir de los datos experimentales.
2. OBJETIVOS
7
2.1. Objetivo General.
 Determinación experimental de parámetros característicos del secado de
materiales húmedos mediante aire caliente (transferencias simultáneas de calor y
de materia), y de los mecanismos internos y/o externos de secado, mediante la
observación de las curvas de secado y el registro de las condiciones físicas del
agente secante.
2.2. Objetivos específicos.
 Elaborar carta psicométrica sistema aire-acetona.
 Determinar el coeficiente de trasferencia de calor por convección, el coeficiente
de transferencia de materia. Comparar los valores experimentales con
información de bibliografía.
 Verificar el número de Lewis para el sistema aire-agua y determinar el número
de Lewis para el sistema: aire-acetona.
 Elaborar la curva de secado del sólido.
3. PRINCIPIOS TEÓRICOS.
8
Antes de tratar el tema de secado debemos introducir algunos conceptos previos
que serán útiles para el análisis de ésta operación.
3.1 Humidificación[3]
Se entiende por humidificación a las operaciones que implican transferencia de
materia entre una fase líquida pura y un gas que es insoluble en el líquido. En estas
operaciones al tratarse de un líquido puro, no existe gradiente de concentración ni
alguna resistencia a la transferencia en la fase líquida. Sin embargo, en éstas la
transferencia de materia ocurre en paralelo a la transferencia de calor y se condicionan
mutuamente.
En estas operaciones se transfiere masa de vapor de líquido al gas y se transfiere
calor de una fase a la otra en forma de calor sensible (diferencia de temperaturas) y
calor latente (por la vaporización del líquido).
3.1.1 Mezcla de vapor/gas[1]
Se entenderá por vapor una sustancia que se encuentre relativamente cerca de su
temperatura de condensación a la presión dominante y el término gas se entenderá por
una sustancia que se encuentre relativamente bastante sobrecalentado.
3.1.2 Humedad absoluta[1]
Cuando en las operaciones ocurren cambios en el contenido de vapor de una
mezcla vapor-gas sin cambios en el contenido de gas, es recomendable utilizar una
unidad basada en la cantidad no cambiante del gas. La relación masa de vapor/ masa de
gas es la humedad absoluta Y’, y si la relación es moles de vapor/ moles de gas esta
relación recibe el nombre de humedad molal absoluta Y. Suponiendo condiciones de
gas ideal la humedad absoluta se define en la ecuación 3.1.2 y la humedad molal
absoluta en la ecuación (3.1.1).
y A pA
pA


yB pB pt  p A
M
p
pA M A
Y 'Y A  A 
M B pB pt  pA M B
Y
moles A
moles B
masa A
masa B
(3.1.1)
(3.1.2)
3.1.3 Mezclas de vapor-gas saturadas[1]
9
Sea un gas insoluble seco B que se pone en contacto con suficiente líquido A, el
líquido se evaporará en el gas hasta alcanzar la condición de equilibrio, en el cual la
presión parcial de A en la mezcla vapor-gas alcanza su valor de saturación ( pA ). Sólo si
el gas es insoluble en el líquido, la presión parcial de vapor no dependerá de la
naturaleza del gas y la presión total, sino depende solamente de la temperatura y la
identidad del líquido. No obstante la humedad molal absoluta de saturación Ys
dependerá de la presión total, en cambio la humedad absoluta de saturación Y’s
dependerá a su vez de la identidad del gas. Se observa que las humedades saturadas se
vuelven infinitas en el punto de ebullición del líquido a la presión total dominante.
3.1.4 Temperatura de bulbo seco[1]
Es la temperatura de una mezcla vapor-gas determinada en la forma ordinaria
por inmersión de un termómetro en la mezcla.
3.1.5 Saturación relativa[1]
Conocida también como humedad relativa (Hr), expresada en porcentaje, se
p
define como 100 A , en donde pA es la presión de vapor a la temperatura de bulbo
pA
seco de la mezcla.
3.1.6 Punto de rocío[1]
El punto de rocío o temperatura de rocío es la temperatura a la cual una mezcla
vapor-gas se satura cuando se enfría a presión total constante sin contacto con el
líquido.
3.1.7 Volumen húmedo[1][1]
El volumen húmedo H de una mezcla vapor-gas es el volumen de masa unitaria
de gas seco y de su vapor a las condiciones de la mezcla (Temperatura y Presión).
Considerando la ley de los gases ideales el volumen húmedo se calcula utilizando la
ecuación (3.1.3).
 1
Y '  TG  273


pt
 MB MA 
H  8315 
(3.1.3)
3.1.8 Calor Húmedo[1]
10
Es el calor que se requiere para aumentar la temperatura de la masa unitaria del
gas y su vapor en un 1 [ºC] a presión constante. Para una mezcla de humedad absoluta
Y’ se calcula utilizando la ecuación 3.1.4.
Cs  CB  Y ' CA
(3.1.4)
3.1.9 Entalpía[1]
La entalpía de la mezcla vapor-gas es la suma de las entalpías del contenido en
gas y en vapor.
H '  CB (TG  T0 )  Y ' C A (TG  TDP )  DP  C A, L (TDP  T0 ) 
(3.1.5)
3.1.10 Curvas de saturación adiabática[1]
G’s
Y1’
H1’
TG1
Gs’
Y2’
H2’
TG2
L’
TL
HL
FIG. 3.1.1 CONTACTO ADIABÁTICO GAS-LÍQUIDO
Considerando la operación que se indica en la Fig 3.1, donde el gas entrante está
en contacto con líquido, por ejemplo, en forma de rocío; como resultado de la difusión y
de la transferencia de calor entre el gas y el líquido, el gas sale en condiciones de
humedad y temperatura diferentes a las de ingreso. Además, si la operación es
adiabática, es decir, no existe intercambio de calor con el entorno. Es posible realizar un
balance de masa para la especie A [ecuación (3.1.6)] y un balance de entalpía [ecuación
(3.1.7)] que combinando es posible encontrar la ecuación 3.1.7.
L '  G 's (Y2'  Y1' )
(3.1.6)
'
'
'
'
Gs' H1'  LH
L  Gs H 2
(3.1.7)
H2'  H1'  (Y2'  Y1' )H L
(3.1.8)
Posteriormente se desarrolla la definición de H’ entregada en la ecuación (3.1.5)
(3.1.9)
Cs1 (TG1  T0 )  Y1'0  (Y2'  Y1' )CA, L (TL  T0 )  CS 2 (TG2  T0 )  Y2'0
Si particularmente la mezcla vapor-gas saliente está saturada y cuando el líquido
entra a la temperatura de saturación, el gas está húmedo por la evaporación del líquido y
por ende éste se enfría, luego de simplificar y reordenar el balance de energía sería la
ecuación (3.1.10)
11
Cs1 (TG1  Tas )  (Yas'  Y1' ) C A (Tas  T0 )  0  C A, L (Tas  T0 ) 
(3.1.10)
Finalmente al definir el término entre paréntesis de la ecuación (3.1.10) igual a
as es posible encontrar la ecuación de una curva de saturación adiabática, la cual se
presenta en la ecuación (3.1.11)
(3.1.11)

TG1  Tas  (Yas'  Y1' ) as
Cs1
3.1.11 Temperatura de bulbo húmedo
Se entiende por temperatura de bulbo húmedo la temperatura en estado
estacionario que alcanza una pequeña cantidad de líquido evaporado en una gran
cantidad de mezcla vapor-gas no saturada. Ésta temperatura puede usarse para medir la
humedad de la mezcla.
Para explicar éste concepto se introduce el siguiente ejemplo:
Una gota de líquido se sumerge en una mezcla vapor-gas no saturado que se
mueve rápidamente. Inicialmente el líquido se encuentra a una temperatura más elevada
que la del punto de formación de rocío del gas, la presión de vapor del líquido será
mayor en la superficie de la gota que la presión parcial del vapor en el gas; el líquido se
evaporará y difundirá en el gas. El calor latente necesario para la evaporación será
proporcionado inicialmente por el calor sensible de la gota de líquido, que se enfriará.
Apenas la temperatura del líquido disminuye a la temperatura de bulbo seco del gas, la
transferencia de energía será desde el gas al líquido, la velocidad de transferencia de
calor aumentará al aumentar la diferencia de temperatura. Luego la rapidez de
transferencia de calor del gas al líquido se igualará a la rapidez de requerimiento de
calor para la evaporación, y la temperatura del líquido permanecerá constante en un
valor bajo la temperatura de bulbo húmedo t w .
Para esquematizar lo anteriormente planteado se presenta la figura (3.1.2):
Película efectiva
del gas
Gota de
Líquido
tW
12
pAG
FIG. 3.1.2 DIAGRAMA DE LA TEMPERATURA DE BULBO HÚMEDO
De la figura (3.1.2) podemos ver que en estado estacionario el calor transferido
al gas es igual a la velocidad de evaporación en el líquido, lo anterior se presenta en la
ecuación (3.1.12):
TG  Tw 
w
 hG

 ky



Yw  Y 
(3.1.12)
El término  hG k y  de la ecuación (3.1.12) se denomina relación psicométrica.
Para el cálculo de ésta se utilizará la correlación detallada en la ecuación (3.1.13), la
cual es válida para gases a través de cilindros.
 hG

 k y Cs
  Sc 0,567
 Le0,567
   
  Pr 
(3.1.13)
3.2 SECADO[1]
13
El término de secado se refiere a la eliminación de la humedad en una sustancia.
El secado de un sólido húmedo tiene como idea poner en contacto el sólido contra una
corriente de gas con menor contenido de humedad, para que exista transferencia de
materia entre el contenido líquido del sólido y la corriente gaseosa, además de un
intercambio de calor entre ambas.
3.2.1 Conceptos previos
3.2.1.1 Equilibrio
El grado de presión de vapor que ejerce la humedad contenida en un sólido
húmedo o en una solución líquida depende de la naturaleza de la humedad, la naturaleza
del sólido y la temperatura. El equilibrio se alcanza cuando la presión de vapor de la
humedad del sólido sea igual a, la presión parcial dada del vapor que posee la corriente
de gas ( p )
3.2.1.2 Contenido de humedad en base húmeda
El contenido de humedad de un sólido generalmente se describe en función del
porcentaje en peso de humedad; a menos que se indique otra cosa. Se sobreentiende que
está expresado en base húmeda, es decir, como (kg humedad/kg sólido
húmedo)*100=Xbh.
3.2.1.3 Contenido de humedad, base seca
Se expresa como kg humedad/kg sólido seco = Xbs. A su vez se define el
porcentaje de humedad en base seca que es igual a 100Xbs.
3.2.1.4 Humedad en el equilibrio (X*)
Es el contenido de humedad de una sustancia que está en el equilibrio con una
presión parcial dad del vapor.
3.2.2 La velocidad del secado por lotes
El dimensionamiento de un equipo se encuentra relacionado con el tiempo que
será necesario para secar una sustancia a partir de un contenido de humedad a otro. Se
busca también estudiar el efecto que tienen las diferentes condiciones de secado en el
tiempo de secado.
14
3.2.2.1 Curva de rapidez de secado
Una vez obtenidos los datos de las pruebas de secado, se grafica una curva del
contenido de humedad como función del tiempo, como se muestra en la figura (3.2.1)
FIG. 3.2.1 CURVA DE SECADO, X (KG AGUA / KG SÓLIDO SECO)
La figura (3.2.1) será de gran utilidad para determinar el tiempo de secado de
grandes lotes en las mismas condiciones. También a partir de ésta es posible obtener un
gráfico de rapidez de secado versus el contenido de humedad. El cual es mostrado en la
figura (3.2.2)
Fig 3.2.2 Velocidad de secado en las distintas etapas.
En figura (3.2.2) existen dos partes de vital importancia. Un periodo de rapidez
constante y uno de rapidez decreciente.
15
Si el sólido se está inicialmente muy húmedo, existirá una delgada película de
líquido que cubrirá el sólido, que se supondrá como humedad total no ligada. Al poner
en contacto el sólido con aire relativamente seco, la evaporación se llevará a cabo desde
la superficie de éste. La rapidez a la cual se evapora la humedad se puede representar en
función de k y (coeficiente de transferencia de materia del gas) y de la diferencia de
humedad entre el gas en la superficie líquida Ys y en la corriente principal Y. Entonces
la rapidez de secado queda expresada por la ecuación (3.2.1).
Nc  k y Ys  Y 
(3.2.1)
Como la evaporación de humedad absorbe calor latente, la superficie líquida
llega y se mantiene a una temperatura en el equilibrio tal que la rapidez de calor en el
entorno de la superficie es exactamente igual a la rapidez de absorción del gas.
Como Y permanece constante en las condiciones de secado constante, la rapidez
de evaporación permanece constante en el valor Nc,[ver línea BC de la figura (3.2.2)]
Cuando la humedad del sólido alcanza el valor Xc la película superficial de
humedad se reduce tanto por evaporación que el secado posterior produce puntos secos
que aparecen sobre la superficie; estos ocupan cada vez porciones más grandes de la
superficie expuesta al continuar el secado. Sin embargo, puesto que la rapidez N se
calcula mediante la superficie gruesa constante, el valor de N debe descender aun
cuando la rapidez por unidad de superficie húmeda permanezca constante. Ésta es la
primera parte del periodo decreciente de la rapidez de secado [ver línea CD de la figura
(3.2.2)]
Finalmente, la película superficial original de líquido se habrá evaporado
completamente a un contenido de humedad promedio del sólido que corresponde al
punto D de la figura (3.2.2)
Continuando el secado, el paso controlante será la rapidez a la cual puede
moverse la humedad a través del sólido. La rapidez de secado se anula al llegar a la
humedad de equilibrio X* [punto E de la figura (3.2.2)].
3.2.2.2 Tiempo de secado
16
Para calcular el tiempo de secado de un sólido que se encuentra en las mismas
condiciones a las cuales se han calculado las curvas de rapidez de secado v/s humedad,
se procede leyendo los tiempos que corresponde a los contenidos inicial y final de
humedad mediante la curva.
Matemáticamente la rapidez de secado se calcula utilizando la ecuación (3.2.2)
N 
S s dX
A dt
(3.2.2)
Integrando la ecuación (3.2.2) es posible encontrar el tiempo de secado, el cual
matemáticamente viene representado por la ecuación (3.2.3)
Xi
(3.2.3)
S
dX
t s 
A Xf N
3.2.3 Mecanismo de secado por lotes:
3.2.3.1 Secado por circulación tangencial
En el periodo de rapidez constante ocurre la evaporación superficial de la
humedad no ligada, se ha demostrado que la rapidez de secado se establece mediante un
balance de las necesidades caloríficas para la evaporación y la rapidez con la cual el
calor alcanza la superficie.
Considerando la sección de un material que se está secando en una corriente de
gas, como se muestra en la figura (3.2.3) podemos ver que la evaporación de humedad
tiene lugar desde la superficie superior, A, que está a una temperatura Ts. Ésta se está
secando y recibe calor de diferentes fuentes. Una primera por convección desde la
corriente gaseosa (qc), por conducción a través del sólido (qk) y también por radiación
directa de una superficie caliente a la temperatura TR (qR).
17
FIG 3.2.3 SECADO A RAPIDEZ CONSTANTE.
La rapidez de evaporación y la temperatura superficial pueden entonces
obtenerse mediante un balance de calor. Si q representa el calor total, que llega a la
superficie, entonces por lo dicho anteriormente podemos obtener la ecuación (3.2.4).
q  qc  qR  qk
(3.2.4)
Despreciando el calor necesario para sobrecalentar la humedad evaporada hasta
la temperatura del gas y considerando sólo el calor latente λs, entonces el flujo de
evaporación Nc y el flujo de calor están relacionados como lo expresa la ecuación
(3.2.5).
Nc s  q
(3.2.5)
En la tabla (3.2.1) se definen los distintos mecanismos de calor presentes en el
sistema y que forman parte de la ecuación (3.2.4)
TABLA (3.2.1): MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Calor por convección
qc  hc (TG  Ts )
Calor por radiación
qR  hR (TR  Ts )   kB (TR 4  Ts 4 )
Calor por conducción
qk  U k (TG  Ts )
En donde:
hR 
Uk 
 kB (TR 4  Ts 4 )
(TR  Ts )
1
(1  hc )( A / Au )  ( zM / kM )( A / Au )  ( zs / ks )( A / Am )
18
Combinando las ecuaciones (3.2.1), (3.2.4), (3.2.5) y utilizando las expresiones
presentes en la tabla (3.2.1) se puede calcular la rapidez de secado mediante la ecuación
(3.2.8):
Nc  q / s 
(hc  U k )(TG  Ts )  hR (TR  Ts )
s
 k y (Ys  Y )
La misma ecuación (3.2.8) se presenta reordenada en la ecuación (3.2.9)
(Ys  Y )s  U k 
hR
 1 
 (TG  Ts )  (TR  Ts )
hc / k y
hc 
hc

(3.2.8)
(3.2.9)
Si no se considera la conducción a través del sólido y los efectos de radiación, la
ecuación (3.2.9) se reduce a la de temperatura de bulbo húmedo [ecuación (3.1.12)].
3.2.3.2 Flujo de gas paralelo a una superficie y confinado entre platos
paralelos
La aplicación de la analogía de la transferencia de calor-masa, para Re = 2600 a
22000, tiene como resultado:
jH 
k y 2/3
hc
Pr 2/3  jD 
Sc  0.11Ree 0.29
C pG
Gs
(3.2.10)
Donde Ree  deG /  ; de es el diámetro equivalente del espacio para el flujo de
aire con las propiedades del aire a 95 °C. Esto se transforma, en el sistema SI en la
ecuación (3.2.11) y para el caso especial de arena sobre platos en la ecuación (3.2.12).
(3.2.11)
G0.71
de0.29
hc  14.3G0.8
hc  5.90
(3.2.12)
3.3 Correlaciones de utilidad.
Para la situación particular en la que tratamos, la siguiente correlación representa
físicamente el fenómeno que ocurre:
1
Nu = 0,664 Re 2 Pr
1
Sh  0,664Re1 2 Sc1 3
3
(3.3.1)
(3.3.2)
Ésta correlación es válida para un sistema de geometría plana, flujo laminar y
0.6 < Pr < 50.
19
4. SECCIÓN EXPERIMENTAL
4.1 Materiales
Los materiales utilizados en el laboratorio son los siguientes:
 Agua hirviendo.
 Bandeja de aluminio con plumavit para aislar.
 Computador.
 Hielo.
 Software Quick-Log for Windows (Qlfw).
 Software WRP12.
 Anemómetro.
 Termómetro.
 Vasos precipitados.
 3 termocuplas.
4.2 Descripción del equipo:
Secador de túnel provisto de un ventilador, de persianas de regulación de flujo
de aire, de calefactores eléctricos automáticos y manuales, de medidas de temperatura
de bulbo seco y de bulbo húmedo, y de balanza de registro continuo de pérdida de
humedad.
Figura N° 4.1 Secador de túnel
20
(1) Anemómetro
(2) Termocupla de bulbo húmedo
(3) Termocupla de la interfase de la muestra a secar
(4) Balanza electrónica
(4) Persianas mecánicas para la regulación del flujo de aire
(5) Sistema de regulación para la entrada de aire
(6) Bomba de succión de aire
(7) Ventilador
(8) Sistema de regulación para la purga de aire
(9) Panel de control eléctrico (con resistencias eléctricas)
(10) Bandeja de soporte de la muestra
(11) Computador
(12) Termocupla de bulbo seco
4.3. Desarrollo experimental para el sistema acetona-aire
Para el desarrollo de este laboratorio de una manera óptima, es necesario en
primer lugar calibrar las termocuplas que se utilizarán para la medición de la
temperatura superficial, temperatura de bulbo húmedo y temperatura de bulbo seco.
Para esto, cada una será
introducida en 2 sistemas en que las temperaturas son
conocidas, el primero es un sistema de hielo-agua (0 [°C]) y el segundo es agua a
temperatura de ebullición (100 [°C]).
Con los datos ya tabulados, se construirá un gráfico para cada termocupla en el
cual el eje de las abscisas será la temperatura entregada y el eje de las ordenadas será el
valor de la temperatura de referencia. Finalmente se calculará el promedio de los datos
entregados por la termocupla para cada sistema de calibración y se hará equivaler a la
temperatura de referencia de cada uno. Con estos dos puntos en el gráfico se traza una
recta, donde la ecuación de ésta es la calibración de las termocuplas.
Con el proceso de calibración realizado se pondrá dentro del secador, luego de la
muestra de sólido, un vaso precipitado con acetona junto con un algodón humedecido
en ésta que envolverá la termocupla que medirá la temperatura de bulbo húmedo.
Además se ubicará dentro del túnel y antes de la muestra de sólido la termocupla que
medirá la temperatura de bulbo seco el aire. Por último sobre un trozo de celulosa se
21
verterá acetona, evitando que ésta tenga contacto con el aislante (plumavit) para que no
se corroa y se colocará sobre la balanza, luego en la superficie del sólido (teniendo el
cuidado de que quede en una buena posición) será instalada la termocupla que mide la
temperatura superficial.
El equipo ya se encuentra preparado para la realización del laboratorio y se
pondrá en marcha cuidando que la velocidad de flujo de aire se encuentre alrededor de
1.5 [m/s]. Para esto último se utilizará un anemómetro para la medición y se ajustará la
abertura de las persianas de aire para llegar al flujo de aire buscado.
Finalmente con el secador de túnel en funcionamiento, se pondrán en marcha
dos programas computacionales. El primero que registrará la temperatura de cada
termocupla cada 1 segundo y el segundo cada 5 segundos la masa del sólido. Una vez
que se tengan cerca de 350 mediciones de la masa del sistema se cerrarán los programas
y se repetirá todo el procedimiento anterior pero esta vez a una nueva temperatura de
bulbo seco que se logrará encendiendo las resistencias presentes en el equipo de
laboratorio.
En el laboratorio se registrarán los valores para 3 temperaturas diferentes y se
agregarán datos en que se mantiene constante la temperatura de bulbo seco, pero se
variará la velocidad de flujo de aire (valores registrados por otro grupo).
4.4 Procedimiento Experimental
Se lleva a cabo la calibración de las tres termocuplas (bulbo húmedo, bulbo seco
y la de interfase) mediante dos procesos:
 Agua Hielo
 Agua hirviendo
Registrando los valores que se indican para cada temperatura medida con el
sistema del computador adherido al secador de túnel.
22
Luego de haber calibrado las termocuplas son introducidas en sectores
específicos en el secador de túnel, dando inicio al proceso detallado a continuación:
1. Se inicia el secador encendiendo el ventilador.
2. Se encienden algunas de las resistencias eléctricas manuales, luego de
dejar pasar durante algún tiempo aire, se terminan de encender todas.
3. Se instala el anemómetro por arriba del túnel y se registra el caudal de
aires en el caso de trabajar a flujo constante.
4. Se instala un vaso precipitado de agua con un algodón empapado, y se
conecta a la una termocupla que medirá la temperatura de bulbo húmedo.
5. Se terminan de instalar las restantes termocuplas por encima del túnel para
medir la temperatura de bulbo seco y la de interfase de la muestra.
6. Se conectan las tres termocuplas al computador y se deja preparado el
programa para comenzar a recolectar datos.
7. Se tara la balanza con la bandeja de soporte y se instala por debajo de
donde pasará la corriente.
8. Se ubica encima de la balanza la bandeja de soporte pasando por la pared
inferior del túnel, y sobre la bandeja la muestra a medir.
9. Una vez estando todo instalado y en su lugar se comienzan a grabar los
datos de temperatura y masa perdida por secado, aproximadamente por un
lapso de tiempo que sea necesario de modo de tener una apropiada
cantidad de datos.
10. En caso de ser necesario, el caudal de flujo se regulará mediante un
mecanismo mecánico para controlar la entrada y purga de aire, además de
las persianas mecánicas.
11. Se podrá disminuir la temperatura del aire apagando las resistencias
eléctricas necesarias.
12. Una vez terminado el experimento, apagar el equipo desconectando
primero las resistencias, después el ventilador y finalmente la fuente de
poder principal. Retirar la muestra, el soporte, la balanza y las termocuplas
y constatar de que quede todo el equipo limpio y en buen estado.
13. El procedimiento descrito se aplicará para cada vez que se seque alguna
muestra.
23
5. CARTA PSICROMÉTRICA SISTEMA ACETONA-AIRE
24
6. TRATAMIENTO DE DATOS PARA UN SISTEMA AIRE-AGUA
6.1 Cálculo experimental del número de Lewis para el sistema Aire-Agua.
En primer lugar fue necesario realizar la calibración de las termocuplas para
asegurar que se cuente con el correcto valor de todas las temperaturas medidas, ya que
es un punto vital para el correcto cálculo del número de Lewis y relación psicométrica.
La temperatura de bulbo húmedo y bulbo seco, se obtuvo como el promedio de
todos los datos experimentales, ya que el aire utilizado para secar es considerado
completamente seco debido a que el agua se encontraba muy diluida en éste. En la tabla
(6.1.1) se presenta el valor promedio de la temperatura de bulbo húmedo y bulbo seco,
acompañado del valor de la calibración.
TABLA 6.1.1: DATOS DE TEMPERATURA DE BULBO HÚMEDO, Y BULBO SECO
TW
15,58
16,15
Promedio
Calibrada
TG
24,93
26,30
El gráfico (6.1) presenta la curva de secado experimental eliminado los valores
de tiempo entre 420 [s] y 425 [s], ya que en ese momento fue ajustada la posición del
peso en la balanza.
Contenido de Humedad
X = 8,59E+00-1,52E-04*t
9,4
X (kg agua/ kg sólido seco)
9,2
9,0
8,8
8,6
8,4
8,2
8,0
-200
200
0
600
400
1000
800
1400
1200
1800
1600
2200
2000
t (s)
GRÁFICO 6.1: REPRESENTA LA MASA SECADA Y EL TIEMPO DE SECADO.
25
En el gráfico (6.1) se observa que aproximadamente desde el tiempo de
500 [s] a 1500 [s] se aprecia notablemente una tendencia línea, la cual podemos
suponer que es el periodo de secado constante.
Histograma de Temperaturas
50
40
T (°C)
30
20
10
0
200
400
600
800
1000 1200 1400 1600 1800 2000
t (s)
GRAFICO 6.2: REPRESENTA EL COMPORTAMIENTO DE LAS DISTINTAS TEMPERATURAS EN EL
PROCESO DE SECADO
Del gráfico 6.1 (contenido de humedad) se obtiene la curva de tendencia lineal
para calcular el término dx / dt de la definición general de la rapidez de secado de la
ecuación (ecuaciondel Nc, definicion general).
Del gráfico vemos que:
 kg agua 
dx
 1,52 104 

dt
 kg SS s 
Con este dato es posible obtener el valor de la rapidez de secado en periodo
constante, mediante:
10,3 g 
4
2

1 kgSs  10 cm  
4  kg agua 
Nc 

1,56

10




87,15 cm2  1000  gSs  1  m2  
 kg S s s  
26
Para así, obtener finalmente:
 kg agua 
Nc  1,844 104 
2
 m s 
Como se aprecia en el gráfico N°2, podemos observar el comportamiento de la
temperatura superficial, concluyendo; para modo de cálculo, que la temperatura de la
superficie se mantiene constante y su valor se presenta en la siguiente tabla ; con el
valor luego de la calibración:
TABLA 6.1.2: VALORES DE LA TEMPERATURA SUPERFICIAL CONSTANTE Y CALIBRADA
Promedio entre 500-1500 [s]
Temperatura
16,33
superficial
Calibrada
17,66
El valor de esta temperatura es necesaria, ya que es la única forma de poder
obtener la humedad de saturación en la superficie (Y’s). Para esto es necesario calcular
la presión de saturación del agua a la temperatura superficial, mediante la ecuación de
Antoine.
Las constantes de Antoine para el agua se presentan en la siguiente tabla:
TABLA 6.1.3: CONSTANTES DE ANTOINE PARA EL AGUA
A
18.3036
B
3816.44
C
-46.13
Empleando las constantes en la ecuación de Antoine se obtiene que
PHsat2O (Tsup )  14,96 mmHg y es posible calcular el valor de Y’s utilizando la ecuación
(3.1.2), obteniendo:
 kg vapor 
Y 's  0, 0127 

 kg aireseco 
Ahora debemos obtener la humedad absoluta del aire (Y’), para esto contamos
con la TW = 16,15 [°C] y TG = 26,3[°C] y; además, utilizando la carta psicométrica del
sistema aire-agua se obtiene :
27
 kg vapor 
Y’  0, 007 

 kg aire seco 
Finalmente es posible encontrar el coeficiente de transferencia de masa en
relación a relaciones másicas. Para esto simplemente despejamos el término kY de la
ecuación (Ecuacion del NC con TM) y obtenemos el valor:
 kg 
k y  0, 0324  2 
m s
Ya contamos con el valor de ky, sólo falta obtener el valor del coeficiente de
trasferencia de calor por convección para encontrar la relación psicométrica.
Para encontrar este valor, es necesario conocer el calor de vaporización del agua
J 
a la temperatura superficial. Se sabe que para el agua a 0°C , 0(T 0C )  2502300  
 kg 
Utilizando la correlación de Watson se obtiene el calor de vaporización del agua a la
Tsup.:
 1  Tr 2 

 1  Tr1 
 (T2 )   (T1 ) 
0,38
290,81 

1
 J   647,30 
 2502300   

 kg   1  273,15 
 647,30 


0,38
J 
 2456745  
 kg 
Ahora utilizando la ecuación (Ecuacion del NC con TC), despejamos y obtenemos hc:
 kg 
J 
0, 0001843  2  2456745  
 kg   52,37  W 
m s
hc 
 2 
(26,3047  17, 66) C 
m K 
Finalmente se obtiene la relación psicométrica
 W 
52,37  2 
hc
 m K   1616  J 



ky
kg K 
 kg 

0, 0324  2 
m s
28
7. ANÁLISIS Y RESULTADOS.
Luego de haber realizado el proceso de secado para una placa con celulosa
húmeda en acetona y para una bandeja de sílica gel también húmeda con acetona;
variando la temperatura y posterior su velocidad de secado; se obtuvieron las siguientes
graficas:
7.1 Secados para muestras de pulpa de celulosa.
Contenido de Humedad
Histograma de Temperaturas
45
X = 5,2781-0,0015*t; 0,99 Conf.Int.
5,6
40
5,4
35
5,2
30
5,0
4,8
25
4,6
T (°C)
X (kg acetona/ kg sólido seco)
5,8
4,4
4,2
20
15
4,0
10
3,8
5
3,6
3,4
0
3,2
3,0
-200
200
0
600
400
1000
800
-5
-200
1400
1200
1600
200
0
600
400
1000
800
1400
1200
1800
1600
t (s)
t (s)
GRAFICO 7.1.1: CONTENIDO DE HUMEDAD E HISTOGRAMA DE TEMPERATURA PARA UNA MUESTRA DE PULPA DE CELULOSA,
REALIZADO SIN RESISTENCIA ELECTRICA A UNA VELOCIDAD DE 1,5 m/s.
Analisis:
29
Histograma de Temperaturas
Contenido de Humedad
40
X = 306,1228-0,0182*t; 0,99 Conf.Int.
310
35
305
300
25
295
20
T (°C)
X (kg acetona/ kg sólido seco)
30
290
15
10
285
5
280
0
275
-200
200
0
600
400
1000
800
-5
-200
1400
1200
1600
200
0
600
400
1000
800
1400
1200
1600
t (s)
t (s)
GRAFICO 7.1.2: CONTENIDO DE HUMEDAD E HISTOGRAMA DE TEMPERATURA PARA UNA MUESTRA DE PULPA DE CELULOSA,
CON UNA RESISTENCIA ELECTRICA DE 325 W A UNA VELOCIDAD DE 1,5 m/s.
analisis
Análisis:
Contenido de Humedad
Histograma de Temperaturas
22
X = 3,49E+00-5,37E-04*t; 9,90E-01 Conf.Int.
4,0
20
18
16
3,0
14
2,0
T (°C)
12
2,5
T (°C)
X (kg acetona/ kg sólido seco)
3,5
10
8
6
1,5
4
1,0
2
0
0,5
-2
0,0
-1000
1000
0
3000
2000
5000
4000
7000
6000
-4
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
t (s)
t (s)
GRAFICO 7.1.3: CONTENIDO DE HUMEDAD E HISTOGRAMA DE TEMPERATURA PARA UNA MUESTRA DE PULPA DE CELULOSA,
SIN RESISTENCIA ELECTRICA A UNA VELOCIDAD DE 0,45 m/s.
30
ANALISIS
Histograma de Temperaturas
24
3,4
22
3,2
20
3,0
18
2,8
16
2,6
14
2,4
12
2,2
10
T (°C)
X (kg acetona/ kg sólido seco)
Contenido de Humedad
X= 3,23E+00-9,51E-04*t
2,0
1,8
8
6
1,6
4
1,4
2
1,2
0
1,0
-2
0,8
-4
0,6
-6
0,4
-500
500
0
1500
1000
2500
2000
3500
3000
4500
4000
-8
-200
200
0
600
400
1000
800
1400
1200
1600
t (s)
t (s)
GRAFICO 7.1.4: CONTENIDO DE HUMEDAD E HISTOGRAMA DE TEMPERATURA PARA UNA MUESTRA DE PULPA DE CELULOSA,
SIN RESISTENCIA ELECTRICA A UNA VELOCIDAD DE 1.99 m/s.
Analisis
31
Histograma de Temperaturas
Contenido de Humedad
24
Var8 = 3,89E+00-1,59E-03*x; 9,90E-01 Conf.Int.
4,5
22
20
18
16
3,5
14
12
3,0
T (°C)
X (kg acetona/ kg sólido seco)
4,0
2,5
10
8
6
2,0
4
2
1,5
0
-2
1,0
-4
0,5
-400
-6
0
400
800 1200 1600 2000 2400 2800
0
400
800
1200 1600 2000 2400 2800
t (s)
t (s)
GRAFICO 7.1.5: CONTENIDO DE HUMEDAD E HISTOGRAMA DE TEMPERATURA PARA UNA MUESTRA DE PULPA DE CELULOSA,
SIN RESISTENCIA ELECTRICA A UNA VELOCIDAD DE 2.97 m/s.
7.2 Secados para muestras de sílica gel.
Contenido de Humedad
X = 6,40E-01-2,10E-04*t; 9,90E-01 Conf.Int.
Histograma de Temperaturas
35
0,70
30
0,65
20
0,55
T (°C)
X (Kg acetona/Kg sólido seco)
25
0,60
0,50
15
10
0,45
0,40
5
0,35
0
0,30
-400
0
400
800
1200
1600
2000
-5
-400
2400
0
400
800
1200
1600
2000
t (s)
t (s)
GRAFICO 7.2.1: CONTENIDO DE HUMEDAD E HISTOGRAMA DE TEMPERATURA PARA UNA MUESTRA DE SÍLICA GEL, SIN
RESISTENCIA ELECTRICA A UNA VELOCIDAD DE 1.5 m/s
.
32
Contenido de Humedad
Histograma de Temperaturas
25
X = 3,46E-01-2,76E-04*t; 9,90E-01 Conf.Int.
0,40
20
15
0,30
10
0,25
T (°C)
X (kg acetona/ kg sólido seco)
0,35
0,20
5
0,15
0
0,10
-5
0,05
-200
200
0
600
400
1000
800
1400
1200
-10
-200
1600
200
0
t (s)
600
400
1000
800
1400
1200
1600
t (s)
GRAFICO 7.2.2: CONTENIDO DE HUMEDAD E HISTOGRAMA DE TEMPERATURA PARA UNA MUESTRA DE SÍLICA GEL, SIN
RESISTENCIA ELECTRICA A UNA VELOCIDAD DE 3.5 m/s
Análisis:
.
Análisis.
7.3 Resultados de las temperatura y rapidez de secado.
A continuación se presentan tabulados los datos obtenidos para la pulpa de
celulosa y sílica gel a distintas temperaturas y velocidades.
TABLA 7.3.1: RESULTADOS DE TEMPERATURA Y RAPIDEZ DE SECADO PARA MUESTRAS DE PULPA DE
CELULOSA.
Muestras
Área especificaÁrea regular
Pulpa Celulosa v (m/s) Ts (°C) TBH (°C) TBS (°C) Nc (kg/m2s) Nc (kg/m2s)
1
0,45
13,0
1,0
18,0 4,71E-07
6,35E-04
2
1,99
10,5
-1,0
20,0 8,34E-07
1,12E-03
3
2,97
16,0
2,0
21,0 1,39E-06
1,88E-03
4
1,5
5,8
0,1
26,1 1,32E-06
1,76E-03
5
1,5
7,8
2,9
35,2 1,58E-06
2,14E-03
33
TABLA 7.3.2: RESULTADOS DE TEMPERATURA Y RAPIDEZ DE SECADO PARA MUESTRAS DE SILICA GEL.
Sílica gel
1
2
v (m/s)
1,5
3,5
Ts (°C)
TBH (°C)
12,0
0,0
-2,4
27,0
TBS (°C)
Nc (kg/m2s)
22,0
2,08E-02
11,0
9,55E-04
7.4 Coeficiente convectivo de transferencia de calor, coeficiente loca de
transferencia de masa y numero de Lewis (Le).
Los cálculos del coeficiente convectivo de transferencia de calor y del coeficiente de
transferencia de masa local se presentan tabulados a continuación:
TABLA 7.4.1: COEFICIENTE CONVECTIVO DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA LA PULPA DE
CELULOSA:
Correlaciones
Experimental
(3.2.10)
(3.3.1)
2
Pulpa Celulosav (m/s) hc (W/m K) hc (W/m2K) hc (W/m2K)
1
0,45
5,47
4,68
20,82
2
1,99
15,77
9,84
29,93
3
2,97
20,79
12,03
55,07
4
1,5
12,77
8,55
48,08
5
1,5
12,67
8,48
43,14
TABLA 7.4.2: COEFICIENTE CONVECTIVO DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA LA SÍLICA GEL:
Silica gel
1
2
Correlaciones
Experimental
(3.2.10)
(3.3.1)
2
v (m/s) hc (W/m K) hc (W/m2K) hc (W/m2K)
1,5
12,87
16,34
18,18
3,5
23,28
8,52
31,85
TABLA 7.4.3: COEFICIENTE LOCAL DE TRANSFERENCIA DE MASA PARA LA PULPA DE CELULOSA:
Muestras
Pulpa Celulosa
1
2
3
4
5
v (m/s)
0,45
1,99
2,97
1,5
1,5
Correlaciones
(3.2.10)
(3.3.2)
2
6
ky (kg/m s) 10
ky (kg/m2s)
0,00398
0,00238
0,0112
0,00499
0,0149
0,0061
0,0087
0,00526
0,0079
0,00502
Experimental
ky (kg/m2s)
0,0036
0,0084
0,0104
0,0078
0,0083
TABLA 7.4.4: COEFICIENTE LOCAL DE TRANSFERENCIA DE MASA PARA LA SÍLICA GEL:
34
Silica gel
1
2
v (m/s)
1,5
3,5
Correlaciones
(3.2.10)
(3.3.2)
2
ky (kg/m2s)
ky (kg/m s)
0,0052
0,00854
0,0066
0,00398
Experimental
ky (kg/m2s)
0,0093
0,0081
Utilizando la ecuación (3.1.13), se presentan tabulados los datos del Le para la
pulpa de celulosa y sílica gel:
TABLA 7.4.5: NÚMERO DE LEWIS PARA MUESTRAS DE PULPA DE CELULOSA:
Muestras
Correlaciones
Experimental
Pulpa Celulosav (m/s)
Le1
Le2
Le
1
0,45
1,59
3,00
20,18
Área específica (1140 m2/kg)
Área regular (0,85 m2/kg)
2
3
4
5
1,99
2,97
1,5
1,5
1,58
1,58
1,72
1,97
2,89
2,94
2,05
2,18
8,13
16,63
21,36
15,44
TABLA 7.4.6: NÚMERO DE LEWIS PARA MUESTRAS DE SILICA GEL:
Silica gel
1
2
v (m/s)
1,5
3,5
Correlaciones
Le1
1,73
1,58
Le2
1,98
2,94
Experimental
Le
2,74
9,93
7.5 Resultados del tiempo de secado de la acetona en la pulpa de celulosa y
sílica gel
A continuación se presentan los resultados de tiempo de secado, considerando
para el caso de la pulpa de celulosa un área específica REFERENCIA, y un área
regular, que es obtenida por el largo y el ancho de la placa.
TABLA 7.5.1: TIEMPO DE SECADO PARA MUESTRAS DE PULPA DE CELULOSA CON DIFERENTES
AREAS SUPERFICIALES:
35
Pulpa de Celulosa Xi
1
3,2
2
3,0
3
3,6
4
4,8
5
5,6
Xf
1,5
1,8
2
2,6
3,9
Nc (kg/m2s)106
0,47
0,83
1,40
1,32
1,58
t (s)
3173
1268
1003
1462
944
Nc 103 (kg/m2s)
0,64
1,12
1,88
1,76
2,14
t (s)
3139
1266
1006
1477
939
TABLA 7.5.2: TIEMPO DE SECADO PARA MUESTRAS DE SILICA GEL:
Sílica gel
1
2
Nc (kg/m2s) 103
9,55
1,26
Xi
0,6
0,3
Xf
0,42
0,15
t (s)
857
543
7.6 Errores del número de Lewis
En la siguiente tabla se presenta el cálculo de los errores porcentuales del
número de Lewis obtenidos experimentalmente para el secado de acetona en pulpa de
celulosa y en sílica gel mediante variaciones de temperaturas y velocidades, respecto a
los valores teóricos.
TABLA 7.6.1: ERRORES PORCENTUALES DEL NÚMERO DE LEWIS PARA LAS MUESTRAS DE PULPA
DE CELULOSA.
Muestra de Pulpa de
celulosa
1
2
3
4
5
Error Porcentual
Le correlación 1
1200
414
952
1141
684
Error Porcentual
Le correlación 2
572
181
465
s942
608
TABLA 7.6.2: ERRORES PORCENTUALES DEL NÚMERO DE LEWIS PARA LAS MUESTRAS DE SILICA
GEL:
36
Muestra de Sílica gel
1
2
Error Porcentual
correlación 1
58
528
Error Porcentual
correlación 2
38
238
Los errores porcentuales para el Lewis se atribuyen a los siguientes
factores:
 El aire circulante no necesariamente se encuentra sin contenido de
acetona de manera que afecta en el cálculo del Lewis experimental.
 Los Lewis calculados fueron en base a correlaciones que sólo
consideran el efecto de transferencia de masa y de transferencia de
calor como fenómenos independientes, no en paralelo.
 Para la obtención de la temperatura superficial, se insertaba la
termocupla en el interior del sólido, pero esto no asegura que ésta
temperatura sea necesariamente la temperatura de superficie que
realmente existe.
 En el cálculo del área de transferencia, se considera que la superficie
es una placa plana, de manera que el sólido no posee porosidad y su
superficie es regular.
BIBLIOGRAFÍA
[1]. Treybal, R.E.; Operaciones de transferencia de masa. McGraw Hill, 2da edición,
1997, 247-287,723-745.
[2]. Incropera, F.P; DeWitt, D.P.; Fundamentos de Transferencia de Calor. Pretince
Hall, 4ta edición, 1999, 839,849.
37
APÉNDICE.
Apéndice A: Ficha de seguridad de la Acetona
Nombre: Acetona
Propanona
Dimetilcetona
Características:
La acetona es un líquido incoloro, de olor característico agradable, volátil,
altamente inflamable y sus vapores son más pesados que el aire. Se usa para la
fabricación de plásticos, medicamentos y fibras, además de tener funciones como
disolvente de compuestos químicos.
Propiedades Físicas
Punto de ebullición:
56.5°C
38
Punto de fusión:
-94°C
Densidad relativa (agua = 1):
0.788
Densidad relativa de vapor (aire = 1):
2
Explosividad, % en volumen de aire a 100°C
1.26-12.8
Temperatura de auto ignición:
538°C
Solubilidad en agua, g/100 ml:
n/d
Presión de vapor, mmHg a 20°C:
185
Temperatura Crítica:
Presión Crítica:
Factor Acéntrico:
Precauciones:
La acetona es peligrosa por su inflamabilidad, aún diluida con agua, por lo que
en caso de explosiones o incendio deben usarse polvos químicos y evacuar la zona.
En contacto con el aire produce productos de descomposición como el monóxido y
dióxido de carbono. Reacciona con sustancias clorantes, produciendo cetonas
halogenadas que son muy tóxicas.
En
forma
de
vapor,
causa
irritación
de
ojos
nariz
y
tráquea.
En
concentraciones muy altas puede afectar al sistema nervioso central, presentándose
dolor de cabeza y cansancio, por lo que el uso de mascarillas y ventilación es
obligatorio. En casos extremos de intoxicación puede perderse la conciencia, por que
es necesario trasladar al servicio de salud más cercano.
39
APÉNDICE B
B.1 Curvas de Calibración.
Se ha llevado a cabo la calibración para tres termocuplas según el procedimiento
descrito anteriormente.
Con esto, es posible hacer una linealización de la temperatura entre dos puntos y
obtener la ecuación de la recta que nos permitirá obtener la desviación del valor
obtenido en mediciones con su valor real. Esto se observa a continuación:
B.1.1 Temperatura de bulbo húmedo
40
Temperatura Bulbo Húmedo
120
T ref (°C)
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
T termocucpla (°C)
Gráfico N° B.1 Calibración termocupla de bulbo húmedo
Ajustando los datos a una recta se obtiene, para la termocupla de bulbo húmedo,
la siguiente relación:
tW  1,1265t1 1,5887
R2  1
En que el residuo de ajuste valida la representación lineal de los datos por su
exactitud a la unidad.
B.1.2 Temperatura de bulbo seco
41
Temperatura Bulbo Seco
120
T ref (°C)
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
T termocucpla (°C)
Grafico N° B.2 Calibración termocupla de bulbo seco.
Ajustando los datos a una recta se obtiene, para la termocupla de bulbo húmedo,
la siguiente relación:
tG  1,1118t2 1,3893
R2  1
En que el residuo de ajuste valida la representación lineal de los datos por su
exactitud a la unidad.
42
B.1.3 Temperatura superficial
Temperatura Superficial
120
100
T ref (°C)
80
60
40
20
0
-20 0
20
40
60
80
100
T termocucpla (°C)
Gráfico N° B.3 Calibración termocupla superficial
Ajustando los datos a una recta se obtiene, para la termocupla de bulbo húmedo, la
siguiente relación:
tSuperficial  1,1192t  0,6204
R2  1
En que el residuo de ajuste valida la representación lineal de los datos por su exactitud a
la unidad.
43
APÉNDICE C.
C.1 Desarrollo de la construcción de la carta psicométrica.
Los datos utilizados en la elaboración de la carta psicométrica para el sistema aire–
acetona, a presión atmosférica, se resumen a continuación:
Tabla C.1 Pesos moleculares para sistema aire (B) - acetona (A).
MA (g/mol)
58,08
MB (g/mol)
28,91
Tabla C.2. Capacidades caloríficas a presión constante y calor latente de vaporización,
para sistema aire (B) -acetona (A), a temperatura de referencia 0 ºC.
CP,B ( J / kg°C )
1,001
CP,A ( J / kg°C )
1209
λA ( J / kg )
2
DB,A (m /s)
558445
0,11*10-4
Tabla C.3. Constantes de Antoine para la acetona.
A
B
C
16,6513
2940,46
-35,93
44
APÉNDICE E: Ejemplos de cálculo
E.1 Cálculo de rapidez de secado:
De la ecuación…
Nc  
S s dx
A dt
Considerando:
Ss  0,06037 [kg ]
A  0,01328 [m2 ]
dx
 2,1104 [ s 1 ]  [Pendiente del gráfico]
dt
Reemplazando los valores en la ecuación… es posible que el valor de NC es:
Nc 
 kg 
0, 06037
 2,1104  0, 00096  2 
0, 01328
m s
E.2 Cálculo de rapidez de secado para la sílica:
E.3 Cálculo teórico de hc:
E.4 Cálculo de hc mediante correlaciones:
E.5 Cálculo de hc experimental:
E.6 Cálculo teórico de ky:
E.7 Cálculo de ky:
E.8 Cálculo de Le:
E.9 Cálculo del calor húmedo:
E.10 Cálculo del volumen húmedo:
E.11 Cálculo del tiempo de secado:
45
46