MODELADO FÍSICO DE PROCESOS METALÚRGICOS Y DE M ATERIALES SEMESTRE 2013-1 DR. BERNARDO HERNÁNDEZ MORALES

TIEMPO DE MEZCLADO LOCAL EN UN MODELO FÍSICO DE UN REACTOR CON INYECCIÓN POR EL FONDO

GUION 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 en el baño y favorecer el transporte de masa, incrementando así la productividad del proceso. 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; el gas puede inyectarse a través de toberas o bien de tapones porosos. Una cantidad de interés en este tipo de sistemas es el tiempo de mezclado local, que puede estimarse mediante la adición de un trazador físico (por ejemplo, una disolución acuosa de ácido sulfúrico) en forma de pulso. Para caracterizar a 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 de flujo en el orificio) para obtener un tiempo de mezclado de 8 s (para una pareja de puntos de inyección y de medición del trazador fija) en un modelo físico de inyección por el fondo, de 40 cm de altura x 9.5 cm de diámetro, cuando se utiliza un baño de agua de 30 cm de profundidad?

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  Trazador: 30 mL de una disolución acuosa 1:2 de H2SO4  60 mL de una disolución acuosa 1:2 de NaOH  32 L de agua  20 mL de solución buffer de pH 4  20 mL de solución buffer de pH 7  Jeringas de 5 mL  Pizeta con agua destilada  Frascos de vidrio  Vaso de precipitados  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

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 un flujo volumétrico de 118 mL/min. 3. Llena el modelo físico con agua hasta una altura de 30 cm. 4. Coloca el electrodo del pH-metro y el detector de temperatura en el interior del baño líquido, a una profundidad de 3 cm y a una distancia de 1 cm de la pared del modelo. 5. Registra el pH inicial. 6. Llena una jeringa (sin aguja) con 2 mL del trazador 7. Coloca la jeringa en un punto localizado a 180° de la posición del electrodo del pHmetro, justo arriba del baño de agua, sujetándola con un soporte universal y pinzas. 8. Inicia el software de adquisición de datos. 9. Selecciona el nombre del archivo y otros parámetros de adquisición. 10. Inicia la adquisición de datos. 11. A un tiempo predeterminado, adiciona el trazador lo más rápidamente posible. 12. Detén la adquisición de datos cuando lo consideres adecuado. 13. Mantén la agitación del baño y agrega poco a poco 4 mL de la disolución básica al agua (utilizando una jeringa) hasta que neutralices el agua, antes de desecharla. 14. Lava el electrodo del pH-metro. 15. Obtén esta medición por triplicado, comenzando siempre con agua fresca. 16. Repite este procedimiento para un flujo volumétrico de 1150 mL/min.

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 local? 4. Estima el tiempo de mezclado local para cada uno de los experimentos1 5. Calcula el número de Reynolds (basado en las condiciones de flujo en el orificio) para cada valor de flujo de aire. 6. Calcula los valores promedio del tiempo de mezclado local para cada número de Reynolds (basado en las condiciones de flujo en el orificio) así como la desviación estándar. 7. ¿Qué relación existe entre el tiempo de mezclado local y el número de Reynolds (basado en las condiciones de flujo en el orificio)?

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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.

PARTE II

PROCEDIMIENTO

1. Instala la conexión de aire al modelo físico y comienza a circular aire a un flujo volumétrico de interés. 2. Llena el modelo físico con agua hasta una altura de 30 cm. 3. Coloca el electrodo del pH-metro y el detector de temperatura en el interior del baño líquido, a una profundidad de 3 cm y a una distancia de 1 cm de la pared del modelo. 4. Mide el pH inicial. 5. Llena una jeringa (sin aguja) con 2 mL del trazador. 6. Coloca la jeringa en un punto localizado a 180° de la posición del electrodo del pHmetro, justo arriba del baño de agua, sujetándola con un soporte universal y pinzas. 7. Inicia el software de adquisición de datos y selecciona los parámetros de adquisición. 8. Inicia la adquisición de datos. 9. A un tiempo predeterminado, adiciona el trazador lo más rápidamente posible. 10. Detén la adquisición de datos cuando lo consideres adecuado. 11. Mantén la agitación del baño y agrega poco a poco 4 mL de la disolución básica al agua (utilizando una jeringa) hasta que la neutralices, antes de desecharla. 12. Lava el electrodo del pH-metro. 13. Obtén esta medición por triplicado, comenzando siempre con agua fresca. 14. Repite este procedimiento para otros valores de flujo volumétrico de aire.

CUESTIONARIO

1. Estima el tiempo de mezclado local para cada uno de los experimentos. 2. Calcula el número de Reynolds (basado en las condiciones de flujo en el orificio) para cada valor de flujo volumétrico de aire. 3. Calcula los valores promedio del tiempo de mezclado local para cada número de Reynolds (basado en las condiciones de flujo en el orificio) así como su desviación estándar. 4. Grafica el valor promedio del tiempo de mezclado local en función del número de Reynolds (basado en las condiciones de flujo en el orificio), indicando la desviación estándar. 5. ¿Cuál es el valor del número de Reynolds (basado en las condiciones de flujo en el orificio) para obtener un tiempo de mezclado de 8 s (para una pareja de puntos de inyección y de medición del trazador fija) en un modelo físico de inyección por el fondo, de 40 cm de altura x 9.5 cm de diámetro, cuando se utiliza un baño de agua de 30 cm de profundidad?