BASES DE LA INGENIERÍA
AMBIENTAL
GRADO EN CIENCIAS AMBIENTALES
Prácticas 2011-2012
Francisco Sánchez Beltrán
27.450.928-Z
A. TRANSFERENCIA DE CALOR.
CONVECCIÓN NATURAL.
BASES DE LA INGENIERÍA AMBIENTAL | Francisco Sánchez Beltrán
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Prácticas bia, Ejercicios de Ingeniería Ambiental
Informe de Prácticas de Bases de la Ingeniería Ambiental
Tipo: Ejercicios
2014/2015
1 / 15
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BASES DE LA INGENIERÍA
AMBIENTAL
GRADO EN CIENCIAS AMBIENTALES
Prácticas 2011-
Francisco Sánchez Beltrán
27.450.928-Z
A. TRANSFERENCIA DE CALOR.
CONVECCIÓN NATURAL.
- Fundamento teórico. La convección es una de las tres formas de transferencia de calor, un mecanismo de transmisión de calor de un punto a otro de un fluido, entre un fluido y un sólido, o entre dos fluidos inmiscibles. El mecanismo se explica como el resultado del movimiento que dentro de un fluido tienen sus moléculas y agregados. Esta movilidad en el fluido puede surgir como diferencia de densidades debida a la diferencia de temperatura, lo que se denomina convección natural , o por agitación mecánica, lo que se conoce como convección forzada. De manera general, la convección propiamente dicha, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido, por ejemplo: al calentar agua en una cacerola, la que esta en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que esta en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejo la caliente. La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica, forzada o asistida). En la transferencia de calor libre o natural, un fluido es más caliente o más frío, y en contacto con una superficie sólida causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido. La transferencia de calor por convección, dentro de un medio fluido, se expresa con la ley de enfriamiento de Newton: dQ/dt = h·a·(T (^) e-T (^) i), donde
- (^) dQ/dt : flujo de calor transmitido por unidad de tiempo a través del área a normal a la dirección del flujo.
- h : coeficiente de proporcionalidad, llamado de intercambio por convección, de película o de transmisión de calor (W/m 2 K).
- T (^) e y T (^) i : temperatura en las posiciones donde se contempla el fluido.
- a : área del cuerpo en contacto con el fluido. La transferencia de calor entre un fluido y un sólido, responde a la misma expresión, si bien, es difícil hallar la temperatura del sólido en contacto con el fluido. En cambio, se puede conocer con más exactitud la temperatura en el interior del sólido a una distancia e de la pared y tener en cuenta la transmisión de calor por conducción que se produce en el sólido. Se expresa de la siguiente manera: Q = (k/a)·a·(T (^) I - TS ) = h·a·(TS-T (^) A ), donde
Prácticas
- Valor medio del coeficiente k entre los dos extremos = 26·10 -4^ cal·cm -2^ ·s-1^ ·ºC 4.2.. Valores del coeficiente de conducción para vidrio Pyrex. T (ºC) -100 0 + k (cal·cm-2^ ·s -1·ºC) 21·10-4^ 26·10-4^ 30·10- Tabla 1. Valores del coeficiente de conducción para el vidrio Pyrex. 4.3.. Datos de la convección térmica. Tiempo (min) 0 5 10 15 20 25 30
Temperatura (ºC) 73 66 64,8 61,8 59 56,5 54,
Tiempo (min) 35 40 45 50 55 60 65 Temperatura (ºC) 52,5 50,5 49 47,5 46 44,8 43,
Tiempo (min) 70 75 80 85 90 95 100 Temperatura (ºC) 42,2 41,1 40 39,2 38,2 37,8 37, Tabla 2. Valores de temperatura de convección de la muestra. 1.. Cálculos. 1...1... Representación gráfica de la pérdida de calor por convección de la muestra.
Gráfica 1. Representación de la recta obtenida por la pérdida de calor por convección de la muestra.
1...2... Coeficiente de convección (h): se puede obtener de la representación gráfica del ln (T (^) I - TA) con respecto al tiempo, ya que es la pendiente de la recta. De la fórmula anterior se obtiene, reagrupando las variables: dT (^) I/(T (^) I -TA ) = a·dt/mcp·(e/k +1/h), ln(T (^) I -TA ) (^) t/(T (^) I -TA ) (^) t0 = a·t/mc (^) p·(e/k +1/h), siendo válido, para un intervalo de temperatura no muy elevado, ya que todos los parámetros excepto m , varían con la temperatura. Los cálculos realizados son: pendiente = 2πrh/mc (^) p[e/k + 1/h];
Prácticas
Gráfica 1. Representación de ln (T (^) I -TA ) con respecto al tiempo.
1...3... Superficie total de un cilindro: S = 2πrh = 2·3,14·4 cm·5 cm = 125,7 cm^2 1...4... Flujo de calor (Q = dq/dt): se calcula a partir del enfriamiento de la masa de agua, evaluando las contribuciones de convección/conducción: Q = m·cp·dT (^) I; Q = dq/dt = m·c (^) p·(dT (^) I/dt) = (T (^) I -TA )/(e/k·a +1/h·a), siendo
- T (^) I: temperatura inicial = 73 ºC
- T (^) A : temperatura ambiente = 22,5 ºC
- k: conductividad del vidrio = 26·10 -4^ cal·cm-2^ ·s-1^ ·ºC (valor medio entre los extremos).
- a: área de la base o superficie del cilindro = 125,7 cm 2
- m: masa de agua introducida = 200 g
- c (^) p: calor específico del agua = 1 cal·cm -2^ ·s-
- h: coeficiente de convección = - 0,124 cal/cm 2 ·s·ºC ó W/m^2 K entonces, a partir de los datos, calculamos Q: Q = (73-22,5)/(0,2/21·10-4·125,7 + 1/-0,124·125,7); Q = 50,5/(0,76 – 0,064); Q = 72,56 cal/s·cm^2
- (^) Conclusiones.
Con los datos obtenidos podemos obtener una relación entre el flujo de calor y dos puntos del espacio con temperaturas diferentes.
Prácticas
- S = área para espesar los sólidos (m 2 ).
- Q 0 = caudal de entrada (m^3 s -1^ ).
- h0 = altura inicial de la suspensión en la columna (m).
- t (^) f = tiempo en el que se alcanza la concentración de sólidos deseada en el fondo del tanque (s). La concentración final de fangos o de material depositado que se requiere conseguir es: C (^) f = C (^) 0·h0 / hf 2. Objetivos.
- (^) Recopilar los datos necesarios que nos sirvan para el diseño de un sedimentador continuo.
- Realizar el seguimiento del rendimiento de un sedimentador en uso. 3. Procedimiento experimental.
- Preparar dos muestras a observar:
- Muestra 1: suspensión de tierra al 6 % (60 gramos de tierra en 1 litro de agua).
- Muestra 2: suspensión de yeso al 5% (25,17 gramos de yeso en 0,5 litros de agua).
- Agitar durante 5 minutos.
- Colocar cada una de las disoluciones en un decantador, los cuales han sido previamente ajustados a un soporte con una escala igual en ambos.
- Tomar las medidas de los decantados cada 5 minutos y anotar (tablas 1 y 2). Como la disminución de altura en la columna era muy lenta, el tiempo de medición lo cambiamos cada 15 minutos.
- Representar en una gráfica los datos obtenidos. 4. Resultados. 4.1. Toma de datos.
Tiempo (min) 0 10 25 40 65 95 125
Altura (cm) 23 21 20 19,5 19,4 18 17
Tabla 1. Datos experimentales de la curva de sedimentación del suelo.
Tiempo (min) 0 5 10 20 35 50 65 80
Altura (cm) 10 9,9 9,8 9,7 9,7 9,6 9,6 9,
Prácticas
Tabla 2. Datos experimentales de la curva de sedimentación del sulfato de calcio.
4.2. Representación de gráficas. 4.2.1. Representación gráfica de la curva de sedimentación del suelo.
Gráfica 2. Curva de sedimentación del suelo. 4.2.2. Representación gráfica de la curva de sedimentación del yeso.
Gráfica 2. Curva de sedimentación del yeso.
4.3. Cálculos. 4.3.1. Área crítica para el espesado. S = Q0·tf / h 0
4.3.2. Concentración final de fangos. C (^) f = C (^) 0·h0 / hf
C. OPERACIONES BÁSICAS SÓLIDO-LÍQUIDO.
RETENCIÓN DE CONTAMINANTES POR ADSORCIÓN.
1. Fundamento teórico.
Prácticas
La adsorción física es la más frecuente, mientras que la quimisorción se manifiesta, únicamente, cuando el adsorbente y el adsorbato tienden a formar un compuesto. En general, el proceso de adsorción física puede invertirse con facilidad; por el contrario, la quimisorción es difícil de revertir y generalmente tiene lugar con mayor lentitud que en el caso anterior. La capa adsorbida en la adsorción física puede variar en espesor, desde una molécula a muchas moléculas, debido a que las fuerzas de Van der Waals se pueden extender desde una capa de moléculas a otras. En cambio, la quimisorción no puede, por sí misma, dar lugar a una capa de más de una molécula de espesor, debido a la especificidad del enlace entre el adsorbente y el adsorbato. Sin embargo, cabe que capas subsiguientes de varias moléculas puedan estar físicamente adsorbidas sobre la primera capa. A temperatura constante, la cantidad adsorbida aumenta con la concentración de adsorbato, y la relación entre la cantidad adsorbida (x) y la concentración (C) de la disolución en el equilibrio, se conoce como isoterma de adsorción. Sólo a muy bajas concentraciones x es proporcional a C. Por regla general, la cantidad adsorbida se incrementa menos de lo que indicaría la proporcionalidad a la concentración, lo que se debe a la gradual saturación de la superficie. La siguiente expresión se conoce como isoterma de adsorción de Freundlich y, en muchos casos, la isoterma se puede representar por una ecuación de la forma x/m = K · C n ,
siendo:
- m = cantidad de sustancia adsorbente.
- (^) K y n = constantes para el sistema y temperatura dados (n es generalmente < 1). Tomando logaritmos quedará log x/m = log K + n·log C Por lo tanto, al representar log x/m en función de log C, dará una recta de pendiente igual a n y ordenada en el origen log K. 2. Objetivos.
- Conocer, de forma experimental, el fenómeno de adsorción y su utilidad en el ámbito del medio ambiente, como herramienta para eliminar contaminantes de flujos de aguas y gases. 3. Procedimiento experimental.
- Preparar dos disoluciones, una será la muestra y la otra será la que usaremos para la valoración de la primera.
- Disolución A: 0,5 litros de disolución de CH (^) 3COOH 10 -2^ M.
- Disolución B: 0,5 litros de disolución de NaOH 10 -2^ M.
Prácticas
- Hacer una valoración inicial para obtener el factor del NaOH.
- Poner 10 ml de disolución A en un matraz Erlenmeyer y añadir unos 50 ml de agua para aumentar el volumen. Posteriormente añadir 6 gotas de fenolftaleína como indicador.
- Añadir gota a gota el contenido de la bureta sobre la disolución del matraz sin dejar de agitar.
- Cuando se observe un leve cambio de color, se cierra la válvula de la bureta y se anota el volumen gastado de valorante. 3.1. Parte 1ª.
- Preparar 5 matraces Erlenmeyer de 50 ml y numerar del 1 al 5.
- Añadir a cada matraz el adsorbente (carbón activo) las siguientes cantidades: 0,1 gr al nº 1; 0,2 gr al nº 2; 0,3 gr al nº 3; 0,4 gr al nº 4 y 0,5 gr al nº 5.
- Añadir 5 ml exactos de agua destilada a cada matraz.
- (^) Tomar 20 ml de disolución A y añadir a los matraces del 1 a 5.
- Agitar de vez en cuando, dejando actuar durante 30 minutos.
- Pasado el tiempo establecido, filtrar (mediante filtro de pliegues) los matraces pasando su contenido a tubos de ensayo numerados de la misma manera.
- Valorar con la disolución B cada uno de los contenidos de los tubos de ensayo, mediante el siguiente procedimiento: → Poner 10 ml de disolución A en un matraz Erlenmeyer y añadir unos 50 ml de agua para aumentar el volumen. Posteriormente añadir 6 gotas de fenolftaleína como indicador. → Añadir gota a gota el contenido de la bureta sobre la disolución del matraz sin dejar de agitar. → Cuando se observe un leve cambio de color, cerrar la válvula de la bureta y anotar el volumen gastado de valorante. → Realizar una gráfica comparativa. → Hallar la concentración de analito en cada caso. 3.2. Parte 2ª.
- Preparar 3 matraces numerados, con 0,2 gramos de carbón activo cada uno.
- Añadir 5 ml de agua destilada a cada uno de los matraces y 20 ml de disolución A.
- Dejar actuar, agitando de vez en cuando.
- Preparar 3 tubos de ensayo numerados.
- Filtrar con filtro de pliegues el matraz nº 1 a los 20 minutos, el nº 2 a los 40 minutos y el nº 3 a los 60 minutos.
Prácticas
→ Como la riqueza es del 95 %, necesitamos = 0,3·100/99,5 = 0,302 gr CH (^) 3COOH
- Disolución B:
- 0,5 l de NaOH 10 -2^ M
- Riqueza 98 %
- Pm NaOH = 40 → M = gr/Pm·V; 10 -2^ = gr/40·0,5; m (^) NaOH = 0,2 gr teóricos → Como la riqueza es del 95 %, necesitamos = 0,2 gr·100/98 = 0,204 gr NaOH
4.2.2. Valoraciones.
- Valoración inicial:
- V (^) A· NA = VS·N (^) S·f
- Gastamos 10,1 ml de NaOH → 10·0,01 = 10,1·0,01·f; f = 10/10,1; f = 0, → N (^) A = 10 -2^ ·f = 0,009 real → N = M·Val → M = N/Val
- Valencia del CH (^) 3COOH = 4, por tanto: → M (^) A = 0,009/4; M (^) A = 2,25·10 -3^ → Concentración Inicial
- Valoración adsorción a los 30 minutos:
- V (^) A ·NA = VS·N (^) S; N real NaOH = 0,
- M = N/Val; Valencia CH (^) 3COOH = 4
- Gastado de NaOH: 2 ml 10·N (^) A = 2·0,009; N (^) A = 1,8·10 - M = 1,8·10 -3/4; M = 4,5·10 -
- Gastado de NaOH: 0,9 ml 10·N (^) A = 0,9·0,009; N (^) A = 8,1·10 - M = 8,1·10 -4/4; M = 2,025·10 -
- Gastado de NaOH: 0,7 ml 10·N (^) A = 0,7·0,009; N (^) A = 6,3·10 - M = 6,3·10-4^ /4; M = 1,57·10 -
- Gastado de NaOH: 0,4 ml 10·N (^) A = 0,4·0,009; N (^) A = 3,6·10 - M = 3,6·10-4^ /4; M = 9·10 -
- Gastado de NaOH: 0,3 ml 10·N (^) A = 0,3·0,009; N (^) A = 2,7·10 -
Prácticas
M = 2,7·10-4^ /4; M = 6,75·10 -
Tabla 3. Valoración de la adsorción a los 30 minutos. Nº Matraz Concentración inicial (mol/l)
Concentración final (mol/l)
Carbón Activo (gr)
Cantidad Adsorbida (mol/l) 1 2,25·10-3^ 4,5·10-4^ 0,1 1,8·10- 2 2,25·10-3^ 2,025·10-4^ 0,2 2,05·10- 3 2,25·10-3^ 1,57·10-4^ 0,3 2,09·10- 4 2,25·10-3^ 9·10-5^ 0,4 2,16·10- 5 2,25·10-3^ 6,75·10-5^ 0,5 2,18·10-
Gráfica 1. Adsorción a los 30 minutos.
- Valoración de cinética de adsorción:
- V (^) A ·NA = VS ·NS ; N real NaOH = 0,
- M = N/Val; Valencia CH (^) 3COOH = 4
- Gastado de NaOH: 1,3 ml 10·N (^) A = 1,3·0,009; N (^) A = 1,17·10 - M = 1,17·10-3^ /4; M=2,92·10 -
- Gastado de NaOH: 0,9 ml 10·N (^) A = 0,930,009; N (^) A = 8,1310 - M = 8,1310-4^ /4; M = 2,025·10 -
- Gastado de NaOH: 0,6 ml 10·N (^) A = 0,6·0,009; N (^) A = 5·10 - M = 5·10-4^ /4; M = 1,35·10 -
Tabla 4. Valoración de la cinética de adsorción. Nº Matraz
Concentración inicial (mol/l)
Concentración final (mol/l)
Tiempo transcurrido (min)
Cantidad Adsorbida (mol/l)
1 2,25·10-3^ 2,92·10-4^20 1,96·10-
2 2,25·10-3^ 2,025·10-4^40 2,05·10-
Prácticas