Autor: Dr. Bernardo Hernández Morales

Autor: Dr. Bernardo Hernández Morales
Modelado Físico de Procesos Metalúrgicos y de Materiales
Semestre 2012-1
Inyección (por el fondo del reactor) de un gas en un baño líquido: tiempo de mezclado
Guión de trabajo experimental
Información
Numerosos procesos metalúrgicos tales como: la desoxidación de cobre, el desgasificado de
aluminio y la descarburización de aceros de alta aleación, se basan en la inyección de un gas en un
baño líquido para introducir al reactivo gaseoso en el baño y al mismo tiempo favorecer el
transporte de masa con lo que se incrementa la productividad de estos procesos. En otras ocasiones,
el gas se inyecta para homogeneizar al baño. La inyección de gases puede realizarse por el fondo
del reactor, por un lado del reactor o bien mediante una lanza sumergida en el baño líquido.
Una cantidad de interés en este tipo de sistemas es el tiempo de mezclado, que puede estimarse
mediante la adición de un trazador físico (por ejemplo, una disolución acuosa de ácido sulfúrico) en
forma de pulso. Para adimensionalizar las condiciones de flujo a través del orificio se puede utilizar
al número de Reynolds.
Objetivo
¿ Cuál es el valor del número de Reynolds, basado en las condiciones del orificio, para el que el
tiempo de mezclado en un baño de agua de 30 cm de profundidad sea de 8 s (para una pareja de
puntos de inyección y de medición del trazador físico colocada 3 cm por debajo de la superficie
libre y con un ángulo de 180° entre ambos puntos) cuando se inyecta aire a temperatura ambiente
por el fondo del modelo físico ?
Autor: Dr. Bernardo Hernández Morales
Materiales y equipo
•
Modelo físico: tubo de acrílico (40 cm de altura x 9.5 cm de diámetro, cerrado por la base)
con una boquilla de 3.1 mm de diámetro, ubicada en el centro de la base del tubo
•
50 mL de una disolución acuosa 1:2 de H2SO4
•
100 mL de una disolución acuosa 1:2 de NaOH
•
50 L de agua
•
30 mL de solución buffer de pH 4
•
30 mL de solución buffer de pH 7
•
Jeringas de 5 mL
•
Pizeta con agua destilada
•
Cuatro frascos de vidrio o vasos de precipitados (para contener a las disoluciones)
•
pH-metro (con puerto de comunicación y compensación por temperatura)
•
Compresora
•
Rotámetro para aire con rango de medición de 118 a 1150 mL/min
•
Conexiones rápidas y mangueras
•
Laptop
•
Software de adquisición de datos para el pH-metro
Autor: Dr. Bernardo Hernández Morales
PARTE I
Procedimiento
1. Calibra el pH-metro de acuerdo al instructivo del equipo
2. Instala la conexión de aire al modelo físico y comienza a circular aire a una rapidez de flujo
de 118 mL/min
3. Llena el modelo físico con agua hasta una altura de 30 cm
4. Coloca, cuidadosamente, el electrodo del pH-metro (y el detector de temperatura) en el
interior del baño líquido a una profundidad de 3 cm
5. Mide el pH inicial
6. Llena la jeringa con 2 mL de una disolución de ácido sulfúrico en agua (1:2)
7. Inicia el software de adquisición de datos y selecciona los parámetros de adquisición
8. Inicia la adquisición de datos
9. Agrega rápidamente la disolución del trazador, en un punto localizado a 180° de la posición
del electrodo del pH-metro y a la misma altura que éste
10. Detén la adquisición de datos cuando lo consideres adecuado
11. Agrega la disolución de NaOH y mantén la agitación hasta que neutralices al agua
12. Desecha el agua ya neutralizada
13. Lava el electrodo del pH-metro
14. Obtén esta medición por triplicado, comenzando siempre con agua fresca
15. Repite este procedimiento para una rapidez de flujo de 1150 mL/min
Autor: Dr. Bernardo Hernández Morales
Cuestionario
1. ¿ Qué criterio utilizaste para detener un experimento ?
2. Describe la respuesta del sistema, esto es, la forma de la curva pH vs. tiempo
3. A partir de las mediciones: ¿cómo se puede estimar la magnitud del tiempo de mezclado en
el sistema?
4. Estima el tiempo de mezclado para cada uno de los experimentos1
5. Calcula el número de Reynolds (basado en el orificio) para cada valor de flujo de aire
6. Calcula los valores promedio del tiempo de mezclado para cada número de Reynolds
(basado en el orificio) así como la desviación estándar
7. ¿Qué relación existe entre el tiempo de mezclado y el número de Reynolds (basado en el
orificio)?
1
Para pasar del valor de “tiempo máquina” (que es el que graba el software de adquisición de datos) a un
valor numérico en Microsoft Excel utiliza, por ejemplo para la celda C4 y cuando se usa una frecuencia de
adquisición de aproximadamente 1 Hz, la operación: C4/HORANUMERO("00:00:01.0") y asegúrate que el
formato de la celda objetivo sea numérico y con al menos dos posiciones decimales.
Autor: Dr. Bernardo Hernández Morales
PARTE II
Procedimiento
1. Instala la conexión de aire al modelo físico y comienza a circular aire a la rapidez de flujo
que hayas seleccionado
2. Llena el modelo físico con agua hasta una altura de 30 cm
3. Coloca, cuidadosamente, el electrodo del pH-metro (y el detector de temperatura) en el
interior del baño líquido a una profundidad de 3 cm
4. Mide el pH inicial
5. Llena la jeringa con 2 mL de una disolución de ácido sulfúrico en agua (1:2)
6. Inicia el software de adquisición de datos y selecciona los parámetros de adquisición
7. Inicia la adquisición de datos
8. Agrega rápidamente la disolución del trazador, en un punto localizado a 180° de la posición
del electrodo del pH-metro y a la misma altura que éste
9. Detén la adquisición de datos cuando lo consideres adecuado
10. Agrega la disolución de NaOH y mantén la agitación hasta que neutralices al agua
11. Desecha el agua ya neutralizada
12. Lava el electrodo del pH-metro
13. Obtén esta medición por triplicado, comenzando siempre con agua fresca
14. Repite este procedimiento para una rapidez de flujo de 1150 mL/min
15. En caso necesario, repite este procedimiento para otro valor de rapidez de flujo de aire
Autor: Dr. Bernardo Hernández Morales
Cuestionario
1. Estima el tiempo de mezclado para cada uno de los experimentos
2. Calcula el número de Reynolds (basado en el orificio) para cada valor de flujo de aire
3. Calcula los valores promedio del tiempo de mezclado para cada número de Reynolds
(basado en el orificio) así como la desviación estándar
4. Grafica los valores medidos de tiempo de mezclado en función del número de Reynolds
(basado en el orificio)
5. ¿ Cuál es el valor del número de Reynolds, basado en las condiciones del orificio, para el
que el tiempo de mezclado en un baño de agua de 30 cm de profundidad sea de 8 s (para
una pareja de puntos de inyección y de medición del trazador físico colocada 3 cm por
debajo de la superficie libre y con un ángulo de 180° entre ambos puntos) cuando se inyecta
aire a temperatura ambiente por el fondo del modelo físico ?