Balances de materia en estado no estacionario

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALUnidad Profesional Interdisciplinaria De Biotecnología

Academia de Bioingeniería

Laboratorio de BIOINGENIERÍAMuñoz Herrera AlejandroDurán Hernández DagobertoNeri Torres Elier Ekberg

PRÁCTICA 7:

Balances de materia en estado no estacionario

5FV1

EQUIPO 6

González Ugalde Diana

Hernández Cardona Ed-YeremaiVera Mosco Jorge Alan

Téllez Castañeda Edgar Ismael

SEMINARIO: 24/octubre/2013

BALANCES DE MATERIA EN ESTADO

NO ESTACIONARIO

UNIDAD 1

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Y ANÁLISIS DE

SISTEMAS

PRÁCTICA 7

INTRODUCCIÓN

Los propósitos de los balances de materia alrededor deun equipo o conjunto de equipos son:

1. Caracterizar las corrientes que entran y salen de losequipos.

Conocer las composiciones de los compuestos

La rapidez de flujo másico total

2. Suministrar ecuaciones de balance que formaránparte de una secuencia de deducción de otrosmodelos matemáticos útiles para el diseño eningeniería.

INTRODUCCIÓN

PROCESOS NO ESTACIONARIOS

• Son aquellos en los que alguna de las variablescambia con el tiempo (transitorios o dinámicos).

• Comprende alguno de los siguientes conceptos:

Estado inicial

Flujo de entrada

Flujo de salida

Variación en entrada y la salida

Algo cambia dentro: masa, volumen, altura, entalpía, temperatura, velocidad, energía mecánica, concentración.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Efectuar cálculos de balance materia en estadoestacionario en el sistema bajo estudio, fijando lasvariables de operación

OBJETIVO PARTICULAR

Obtener datos experimentales en el equipo diseñadopara esta práctica, comparando los resultadosteóricos y experimentales

DESARROLLO EXPERIMENTALPreparar 12

charolitas de aluminio y pesarlas

Preparar 3 soluciones salinas de diferentes

concentraciones

Medir volúmenes de operación de cada tanque

Agregar las soluciones

salinas

Llenar el tanque T1y abrir las válvulas V1, V2 y V3. La V4

debe estar cerrada

Conectar la bomba B.

Cuando el tanque T2 esté lleno, abrir la

válvula V4 hasta ajustar el flujo volumétrico

Poner a funcionar los agitadores de

cada mezclador.

Alimentar con la corriente 1, al

tanque M1 e iniciar la cuenta

del tiempo.

Cada 5 minutos ,hasta los 30

minutos, tomar alícuotas de 1 ml. y depositar en las charolitas para su

secado.

Tomar alícuotas de ml del agua utilizada en la

preparación de las soluciones

Secas las charolitas,

pesarlas , para así conocer el

contenido de sal

DATOS EXPERIMENTALES

TABLA 1. Pesos de las charolas de aluminio

TiempoM1 M2 M3 Blanco

1 2 1 2 1 2 1 2

min g g g g g g g g

0 0.4985 0.4850 0.6371 0.7282 0.7648 0.7060

0.6053 0.8043

5 0.7721 0.5240 0.5429 0.5940 0.5826 0.5554

10 0.6776 0.6347 0.5870 0.4544 0.5495 0.7190

15 0.4512 0.4661 0.5251 0.5879 0.4854 0.4407

20 0.7492 0.7260 0.8918 0.4837 0.8698 0.5644

25 0.5069 0.7567 0.5465 0.5698 0.5315 0.7537

30 0.8062 0.7979 0.5589 0.7662 0.7686 0.7843


TABLA 2. Pesos de las charolas de aluminio + NaCl


1 2 1 2 1 2 1 2

min g g g g g g g g

0 0.5055 0.4920 0.6501 0.7412 0.7685 0.7097

0.6095 0.8085

5 0.7768 0.5287 0.5524 0.6035 0.5902 0.5630

10 0.6806 0.6377 0.5941 0.4616 0.5573 0.7268

15 0.4535 0.4685 0.5309 0.5937 0.4926 0.4480

20 0.7510 0.7278 0.8960 0.4879 0.8766 0.5712

25 0.5088 0.7586 0.5497 0.5730 0.5367 0.7590

30 0.8072 0.7989 0.5612 0.7684 0.7733 0.7890


TABLA 3. Peso de NaCl


1 2 1 2 1 2 1 2

min g g g g g g g g

0 0.0070 0.0070 0.0130 0.0130 0.0037 0.0037

0.0042 0.0042

5 0.0047 0.0047 0.0095 0.0095 0.0076 0.0076

10 0.0030 0.0030 0.0071 0.0072 0.0078 0.0078

15 0.0023 0.0024 0.0058 0.0058 0.0072 0.0073

20 0.0018 0.0018 0.0042 0.0042 0.0068 0.0068

25 0.0019 0.0019 0.0032 0.0032 0.0052 0.0053

30 0.0010 0.0010 0.0023 0.0022 0.0047 0.0047


TABLA 3. Promedios de los pesos de NaCl

Tiempo M1 M2 M3 Blanco

s g g g g

0 0.0070 0.0130 0.0037

0.0042

300 0.0047 0.0095 0.0076

600 0.0030 0.0071 0.0078

900 0.0024 0.0058 0.0073

1200 0.0018 0.0042 0.0068

1500 0.0019 0.0032 0.0052

1800 0.0010 0.0023 0.0047

RESULTADOS

GRÁFICA 1. Concentración vs tiempo (experimental)

0.00000

0.00200

0.00400

0.00600

0.00800

0.01000

0.01200

0.01400

0 300 600 900 1200 1500 1800

Co

nc

en

tra

ció

ng

/mL

Tiempos

Tanque 1 Tanque 2 Tanque 3

RESULTADOS

Usando el programa de MATHCAD:

BALANCE DE M ATERIA EN TRES TANQUES AGITADOS.

xo .0042:=

F 5.9:=

V1 2500:= V2 2500:= V3 2500:=

Ecuaciones

diferenciales

(balances de

materia)

Condiciones

inicialesx

0.06

0.12

0.03

:=D t x, ( )

F

V1xo x0-( )

F

V2x0 x1-( )

F

V3x1 x2-( )

:=

N 30:=

X rkfixed x 0, 1800, N, D, ( ):= n 0 N..:=

RESULTADOS

Concentraciones obtenidas con el programa de MATHCAD:

0 1 2 3

0 0 0.06 0.12 0.03

1 60 0.053 0.112 0.041

2 120 0.046 0.103 0.05

3 180 0.041 0.095 0.057

4 240 0.036 0.088 0.061

5 300 0.032 0.081 0.064

6 360 0.028 0.074 0.066

7 420 0.025 0.068 0.067

8 480 0.022 0.062 0.066

9 540 0.02 0.056 0.065

10 600 0.018 0.051 0.064

11 660 0.016 0.047 0.062

12 720 0.014 0.043 0.06

13 780 0.013 0.039 0.057

14 840 0.012 0.035 0.054

15 900 0.011 0.032 0.052

16 960 0.01 0.029 0.049

17 1020 0.009 0.027 0.046

18 1080 0.009 0.024 0.043

19 1140 0.008 0.022 0.041

20 1200 0.007 0.02 0.038

21 1260 0.007 0.019 0.036

22 1320 0.007 0.017 0.033

23 1380 0.006 0.016 0.031

24 1440 0.006 0.014 0.029

25 1500 0.006 0.013 0.027

26 1560 0.006 0.012 0.025

27 1620 0.005 0.011 0.023

28 1680 0.005 0.011 0.022

29 1740 0.005 0.01 0.02

30 1800 0.005 0.009 0.019

RESULTADOS

GRÁFICA 2: Concentración vs tiempo (teórica)

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

0.00000

0.00200

0.00400

0.00600

0.00800

0.01000

0.01200

0.01400

0 300 600 900 1200 1500 1800

Co

nc

en

tra

ció

ng

/mL

Tiempos

Tanque 1 Tanque 2 Tanque 3

Gráfico experimental

Gráfico teórico


Tiempo T1 T2 T3

s %error % error %error

300 46,9 17,3 18,8

600 66,7 39,2 18,2

900 118,2 81,3 40,4

1200 157,1 110,0 82,1

1500 68,3 73,3 79,2

1800 80,0 74,4 75,3

Porcentaje de error entre valores reales (téóricos) y

valores experimentales


• Suposiciones para los cálculos:

• 1) Flujo constante

Se considera el caudal constante debido al sistema en serie que conecta a los tanques, considerando que cada tanque tiene las mismas dimensiones y en cada tanque se colocó el mismo volumen de solución salina a distintas concentraciones.

BALANCE DE M ATERIA EN TRES TANQUES AGITADOS.

xo .0042:=

F 5.9:=

V1 2500:= V2 2500:= V3 2500:=

Ecuaciones

diferenciales

(balances de

materia)

Condiciones

inicialesx

0.06

0.12

0.03

:=D t x, ( )

F

V1xo x0-( )

F

V2x0 x1-( )

F

V3x1 x2-( )

:=

N 30:=

X rkfixed x 0, 1800, N, D, ( ):= n 0 N..:=

• 2) Volumen de las soluciones salinas constante:

Debido a la baja concentración de NaCl de las 3 soluciones empleadas (3,6 y 12% m/v) se consideran soluciones ideales.

Una de las características de la soluciones ideales es que su ΔVmezclado=0 lo que indica que el volumen de cada solución es constante. (Levine, 1996)


• 3) Propiedades de mezclado.


• Se realizaron cálculos de balance demateria en estado no estacionario (en unsistema donde la concentración cambiabacon respecto al tiempo).

• Los datos experimentales presentan uncomportamiento muy similar a los datosobtenidos teóricamente, mostrando lavariación de la concentración de lasolución de cada tanque con respecto altiempo.

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFÍA

oGeankoplis, C. Procesos de transporte y principios de procesos de separación. 4ta edición. México: CECSA (2006). 1034 págs.

oLevine, I. Fisicoquímica volumen 1. 4ta edición. España: Mc Graw Hill (1996) 417 págs.

Balances de materia en estado no estacionario

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