Balances de energia y materia

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    13-Apr-2018

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  • 7/23/2019 Balances de energia y materia

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    Profesor Sebastin Amaro

    Ayudante Juan Pablo Lpez

    Bloque Jueves 9-10

    Alumnos Rodrigo Ibaceta

    Laura Ramrez

    05de 11 de 2015

    UNIVERSIDAD TCNICA FEDERICO SANTA MARADEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA Y AMBIENTAL

    IWQ222 Transferencia de Calor

    Informe deLaboratorio N1Balances de Energa

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    Laboratorio de Transferencia de Calor.Experiencia 1: Balances de Materia y Energa

    1. RESUMEN EJECUTIVO

    En el presente informe se entrega el desarrollo de la experiencia nmero 1 de laboratorio,cuyo objetivo es estudiar y comprobar experimentalmente el calor de reaccin y el calor dedilucin en un reactor, adems de conocer los procesos de balance de materia y energa en

    dos equipos, con la finalidad de acercar los conocimientos aprendidos en el aula con laaplicacin real y procesos industriales.

    En la primera instancia de la experiencia se hizo reaccionar 0.5 [g] de virutas de aluminiocon 25 [ml] de acido clorhdrico 6 [M], con a una temperatura de 25 [C]. El sistemaalcanz una temperatura final de 78[C], y se determin que corresponde a una reaccinexotrmica. Se calcul que el calor/energa transferida a la mezcla para poder llevar a cabola reaccin fue de 4954,44 J. Adems se compar la temperatura final obtenida con latemperatura terica que se esperaba alcanzar arrojando un error de 43%

    En la segunda parte del laboratorio se prepar una solucin al 20% en peso de NaOH conagua, el cual alcanz una temperatura mxima inicial de 54 [C] por el fenmeno dedisolucin y luego se a diluyo la mezcla agregando 20 [ml] de agua alcanzado unatemperatura de 48 [C]. Utilizando el grfico de Entalpa v/s Concentracin se pudoencontrar la temperatura terica si la dilucin se encontrara en un sistema completamente

    aislado y se obtuvo 232,6 , sin embargo el resultado experimental corresponde a133,75[J/g]

    La tercera y ltima parte de esta experiencia se trata el balance msico y energtico de uncircuito de agua con un reactor agitado, un intercambiador de calor y un calefactor. El

    equipo Armfield HT-30 fue ajustado a 50 [C]. Al introducir al sistema agua a 13,4 [C] atravs de una vlvula, se procede a obtener una base de datos que, en su conjunto, indicantemperaturas, flujos, densidad y calores especficos asociados a cada rama del circuito.Estas mediciones se finalizan una vez que el sistema llega a un estado estacionario. Se

    obtuvo una diferencia energtica de 300entre el intercambiador de calor y el estanqueenchaquetado, finalmente la temperatura de salida del agua fue de 21,23 C.

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    2. NDICE

    1. Resumen Ejecutivo .......................................................................................................... 1

    2. ndice ............................................................................................................................... 2

    3. Objetivos ......................................................................................................................... 3

    4. Descripcin del fenmeno ............................................................................................... 4

    5. Resultados ....................................................................................................................... 5

    Primera parte: Calor de reaccin......................................................................................... 5

    Segunda Parte: Calor de dilucin ........................................................................................ 9

    Tercera Parte: Balance de materia y energa para un sistema continuo ............................ 13

    6. Conclusiones y recomendaciones.................................................................................. 197. Bibliografa....................................................................Error! Marcador no definido.

    8. Anexos ........................................................................................................................... 21

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    3. OBJETIVOS

    Comprender cabalmente los balances de materia y energa en forma global paracualquier sistema.

    Realizar correctamente balances de materia y energa para los sistemas segncorresponda.

    Entender y generar familiaridad con trminos relacionados principalmente a losbalances de energa, tales como calor de dilucin, calor de disolucin, calor latente,calor sensible, calor de reaccin, sistemas isotrmicos, sistemas adiabticos, etc.

    Aprender a utilizar de manera adecuada grficos de entalpa-composicin sistemasbinarios.

    Cuantificar mediante datos experimentales las prdidas de energa en un sistema no

    adiabtico.

    Determinar el calor transferido por dos corrientes sin mezclado entre ellas.

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    4. DESCRIPCIN DEL FENMENO

    Calor de reaccin: Se define como la energa absorbida o liberada por un sistema cuandolos productos de la reaccin alcanzan la misma temperatura de los reactantes, debido a la

    formacin o destruccin de enlaces atmicos producto de la formacin nuevos iones ocompuestos. (1)

    En esta experiencia, la reaccin comprende virutas de Aluminio en una solucin de cidoclorhdrico, por la fenomenologa la reaccin produjo una liberacin de calor aumentandola temperatura de la solucin, demostrando la caracterstica de reaccin exotrmica.Adems se agita la solucin, con la finalidad que el acido ataque la capa pasiva de oxido y la disuelva, para luego reaccionar con el aluminio aumentando la cintica de lareaccin.

    Calor de dilucin: Consiste en el calor liberado cuando un slido o gas se disuelve en unlquido, o cuando dos lquidos se mezclan, el proceso ocurre mediante el rompimiento deenlaces entre las molculas de los reactantes y la formacin nuevas molculas o productos.Este proceso se ve acompaado por una absorcin o liberacin neta de energa, lo cualproduce modificaciones en la energa interna y entalpas de mezcla y los componentespuros. (1)

    En esta experiencia, se utiliz hidrxido de sodio y agua, se produjo un aumento detemperatura de la solucin y una liberacin de calor al aadir el hidrxido comportamientoexotrmico de la reaccin. Finalmente al diluir la mezcla preparada, la solucin disminuy

    su temperatura en presencia del agua.

    Balance de materia y energa: Son producto de las leyes de conservacin de materia yenerga, y se usan para medir los flujos de materia y energa a travs de las operaciones deprocesos. En un estado estacionario no existe acumulacin de materia y ni energa. (1)

    Esta experiencia consiste en manejar flujos a distintas temperaturas y disponerlos de formaque tengan contacto y se produzca una transferencia de calor, sin transferencia de materia.De esta forma el calor fluir desde el flujo de mayor al de menor temperatura, siguiendo latendencia del gradiente de temperatura que es la fuerza motriz, hasta alcanzar el equilibrio

    trmico.

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    5. RESULTADOS

    PRIMERA PARTE:CALOR DE REACCIN

    i. Escriba la ecuacin balanceada para la reaccin entre cido Clorhdrico y

    Aluminio. Todos los coeficientes deben ser nmeros enteros.

    6 + 2 = 2 + 3 ii. Presente el balance de materia y energa, a modo general, para este sistema.

    El balance de materia vendra dado por la reaccin:

    + = + + La presencia de HCl al final de la reaccin se explica por su presencia en exceso, adems

    considerando que el agua permanece constante no se incluye en el balance.

    El balance de energa vendra dado por:

    = + Luego si tomamos en consideracin que el sistema es adiabtico, por lo cual el calortransferido es igual a cero, que no ocurren flujos de materia ni energa por lo cual In y Outes igual a cero y finalmente que la reaccin es exotrmica, por lo cual no existe calorabsorbido, el balance de energa quedara:

    = + =

    Donde:

    Qsensible 1 = Calor necesario para llevar a las especies de la reaccin hasta 25 [C]Qsensible 2 = Calor requerido para llevar a las especies desde 25 hasta 75 [C]Hreaccin = Entalpia de reaccin a 25 [C] y 1 [atm]

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    iii. Calcule, responda y comente:

    a) Calor absorbido por la mezcla [J].

    En primer lugar es necesario hacer una recopilacin bibliogrfica de las especies quereaccionan en condiciones estndar:

    Tabla 1: Datos fsicos y qumicos de las especies de la reaccin (2)

    Especie PM[g/mol]

    Cp[J/mol*K]

    Hf

    [kJ/mol]Al(s) 27 23,77 -HClc 36,5 29,14 -167AlClc 133,33 91,79 -1029,75

    H 2,02 28,61 -

    HO 18 75,33 -Asumiendo que la reaccin de la mezcla presenta una conversin completa el Aluminiocorresponde al reactivo limitante.

    Datos:

    Volumen HCl 6 [M]: 25 [ml]

    Masa Al: 0,5 [g]

    Temperatura inicial: 25 [C] Temperatura final: 78 [C]

    Densidad HCl 6 [M]: 1,1 [g/ml]

    Calculando los moles de Aluminio en la reaccin:

    = 0.5 27 =0,02

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    Entonces la reaccin se producira:

    Tabla 2: Reaccin ocurrida durante la experiencia

    2 Al (s) + 6HCl (ac) = 2AlCl3

    (ac)

    3H2 (g)

    n.i 0,02 0,15 - -n.r 0,02 0,06 0,02 0,03n.f 0 0,09 0,02 0,03

    Asumiendo que el agua absorbe calor de la reaccin por lo que se incluir en los clculos.Adems la densidad del HCl 6M son 1,11 [g/mL], con esto los moles de agua son:

    =

    =

    n =1,11 x25mL 6 0,025 L 36,5

    18 =1.24 moles

    Luego el balance energtico se da por energa acumulada y generada:

    HR = HPuc HRc = n Cp T

    Q = ( nCp + nCp nCp + nCp) T

    Q=93,48[ JK] 7 8 2 5K=4954,44 JEste calor corresponde a la energa transferida a la mezcla para poder llevar a cabo lareaccin.

    b) experimental en [J/g] y [J/mol] de metal utilizado.Considerando que son 0,02 moles de Aluminio iniciales, se tiene que:

    H = 4954,44 J0,02 mol = 247722 [J

    mol]

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    H = 247722

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    =9174,88[ JgAl]c) es positivo o negativo? Cul es su evidencia experimental al afirmar esto?

    HR es negativo, la evidencia es el aumento de la temperatura lo que nos indica lapresencia de una reaccin exotrmica, es decir, la reaccin libera energa siendo la entalpiade reaccin menor a cero.

    d) Calcule la temperatura terica (segn literatura) que debiera alcanzar la solucin.

    Considerando que la entalpia de formacin del aluminio y del hidrogeno son muy pequeasen comparacin a las del resto sern despreciadas, luego:

    H =0,02mol 1029,75[ kJmol]0,06mol 167[ kJmol]H =10,58 kJComo:

    H = (nCp + nCp nCp + nCp) T10580 J = 93,48 [ JK] T 298

    Despejando la temperatura final se obtiene un valor de 400,68 [K], lo que es equivalente a

    138 [C].

    e) Determine el porcentaje de Error con respecto a la literatura. Informe sobre lasfuentes de este.

    %Error= Tc TTc 1 0 0 =138 C 78 K

    138 C 1 0 0 =4 3 %

    El porcentaje de error se debe a que el reactor principalmente a las caractersticas del

    reactor, este no era adiabtico, ya que, la pluvamit y el recipiente de vidrio no aislabancompletamente la mezcla y adems debido a la absorcin energa por parte del agua.

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    f) Si para un proceso posterior se necesita que la temperatura de la mezcla sea de40C, calcule el calor que debe ser retirado de la mezcla. Adems indique de qumanera usted retirara este calor en el laboratorio.

    Q=93,48[ JK] 4 0 7 8K = 3552,54 JPara retirar el calor se podra hacer circular la mezcla resultante por un intercambiador decalor tubular similar a los vistos durante este curso.

    SEGUNDA PARTE:CALOR DE DILUCIN

    i.

    Presente el balance de materia y energa, a modo general, para este sistema.

    Balance de Materia:El balance de materia para cualquier sistema se expresa como:

    + =_

    Para el sistema trabajado en laboratorio que consiste en 48[g] de H2O y 12[g] de NaOH ,el cual se considera como solucin sin prdidas, se puede expresar el balance como :

    =

    Donde representa la masa que ingresa al sistema, aquella que deja el sistemay la masa que se mantiene dentro del sistema.Balance de Energa:

    El balance de energa para cualquier sistema se puede expresar como sigue:

    = / Considerando el sistema trabajado en laboratorio, considerando el sistema estacionario y

    adems adiabtico, se tiene que:

    =

    ii.

    Calcule, responda y comente:

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    Calor de dilusin

    Solucin Inicial Agua Solucin Final Unidades

    Masa60 20 80 [g]

    % p/p20 0 15 [-]

    Temperatura54 25 48 [C]

    Tabla 3 Datos obtenidos en laboratorio para calor de dilucin.

    a) Calcular absorbido por la mezcla [J]

    De acuerdo a los datos deTabla 3 Datos obtenidos en laboratorio para calor de dilucin.,esposible realizar el balance de energa ya que se conoce la masa de agua y la masa dehidrxido de sodio, y las temperaturas del experimento inicial y final. Los caloresespecficos de obtienen de tablas.

    Siendo Cp solucin NaOH 20% =0,835 / =3,49 / (3)Cp solucin NaOH 15% =0,8 / = 3,34 / (3)

    Se puede expresar el balance como sigue:

    ( ) + ( ) = 0201 ( 25)+600,835

    ( 54)=0

    Despejando:

    =45,72

    Corresponde a la temperatura de equilibrio del sistema, con esto es posible determinar elcalor absorbido por la mezcla. Considerando que al agregar 20[ ml], la solucin cambia de20 a 15 %p.p por lo que se utiliza el Cp de solucin para 15% p.p encontrado en laliteratura

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    =800,8 40,01 54 =896 =3375,28

    Sin embargo, experimentalmente la temperatura final del sistema fue de 48[C] lo quepermite calcular el calor absorbido real como sigue

    =800,8 48 54

    :384 =1605,12

    b) experimental en [J/g] y [J/mol] en cido o base utilizado a partir de losdatos obtenidos en laboratorio.

    Se debe calcular los moles de NaOH presentes en el sistema, sabiendo que el pesomolecular del NaOH es 40 [g/mol]

    = 1240 = 0,3

    Luego es posible calcular la variacin de entalpa de dilucin sabiendo que:

    =

    = 1605,120,3 =5350

    = [ ] 1

    40 =133,75 []

    c)

    es positivo o negativo? Cul es su evidencia experimental al afirmar

    esto?

    El valor numrico para la variacin de entalpia es negativo, lo que implica que se trata deuna reaccin exotrmica. Esto se pudo verificar experimentalmente con la medicin detemperatura ya que al aadir NaOH al sistema y agitar, ste alcanza una temperatura de[54] (calor de reaccin) y al aadir el agua restante, la temperatura disminuye ya aumenta

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