labo3 porosidad

Laboratorio de Ingeniera Qumica II

Ao de la Inversin para el Desarrollo Rural y la Seguridad AlimentariaUNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERA QUMICALABORATORIO DE INGENIERA QUMICA IITEMA: Porosidad de un lecho de material granular Integrantes:080120-I Aguilar Campomanes, Beatriz080792-G Chipa Saavedra, Miguel080128-J Puchuln, Carqun, Csar082819-J Snchez Guzmn, Mayra072834-F Salcedo Bendez, Daniel090098-F Santana Huavil, Carlos EduardoFecha de presentacin: 23-04-2013

INDICEINTRODUCCION ...3OBJETIVO ...4MARCO TEORICO ...41.1 POROSIDAD ...41.1.1 CALCULO DE LA POROSIDAD ...61.2 GRANULOMETRA DE UN LECHO FILTRANTE ...61.3 PESO ESPECFICO ...7EQUIPOS Y MATERIALES ...9

PROCEDIMEINTO EXPERIMENTAL ...15OBSERVACIONES EPERIMENTALES ...21DATOS EXPERIMENTALES ...21RESULTADOS OBTENIDOS Y CALCULOSEFECTUADOS ...23ANALISIS DE RESULTADOS ...27CONCLUSIONES ...27

INTRODUCCIN

El tema del presente informe enmarca una de las prcticas de laboratorio que se mantienen vigentes por su practicidad y sencillez, cuyo objetivo principal es conocer la porosidad de un lecho, adems de su densidad; se ha encontrado su utilidad en diversas industrias, como el de tratamiento de aguas residuales, por ejemplo, en donde las etapas de secado se anexan en tanques con lechos por donde filtran las aguas que contienen los lodos espesados. Esta facilidad que tienen los fluidos al pasar por dichos lechos es gracias precisamente a los poros que presentan estos medios.

POROSIDAD DE UN LECHO DE MATERIAL GRANULAR

I. OBJETIVOS

Determinar la porosidad de un lecho compuesto por arena fina que es el material granular. Determinar la densidad del medio escogido, en este caso, la arena fina. Determinar el volumen de la muestra.

II. MARCO TEORICO

En numerosos procesos tcnicos circulan lquidos o gases a travs de lechos de partculas slidas. Son ejemplos importantes de estos procesos en operaciones bsicas, la filtracin y el flujo en contracorriente de las dos fases, lquida y gaseosa, a travs de torres de relleno. En filtracin, el lecho de slidos est formado por pequeas partculas que se separan del lquido mediante una tela filtrante o un tamiz tino. En otros procesos, tales como en el cambio inico o en reactores catalticos, un nico fluido (lquido o gas) se mueve a travs de un lecho de slidos granulares.

El valor de depende de la forma y la distribucin de tamaos de las partculas, la relacin entre el dimetro de las partculas y el dimetro del lecho, as como del mtodo utilizado para formar el lecho de partculas. Habitualmente se determina midiendo la cantidad de agua que se requiere para rellenar los huecos del lecho y comparando con el volumen total calculado para el lecho. Si las partculas son porosas, habr que descontar el agua retenida por las partculas, de forma que representa la fraccin externa de huecos del lecho.

2.1 POROSIDAD

La porosidad del lecho filtrante debe determinarse de manera que sea indicativa de la que existe realmente en los filtros.Desgraciadamente esta porosidad en la prctica no es constante, sino que cambia con la velocidad de lavado y con la de sedimentacin de las partculas cuando se suspende el flujo ascensional. Se considera que vara entre 42-44% para arena y entre 50-55% para antracita. Existen dos mtodos para analizarla: el de Hulbert y Feben y el de Baylis; el primero se describe as:

a) Colocar 150 gramos de arena en un tubo de Jackson de 0.75m de largo, 2.8 cm de dimetro y llenarlo hasta la mitad con agua. La muestra debe haberse lavado previamente para eliminar toda la arena o el polvo que puede contener.

b) Agitar a fin de extraer el aire.

c) Si el agua est turbia, decantar repetidamente hasta que se clarifique.

d) Llenar el tubo completamente con agua y colocar un tapn de goma de modo que no quede burbuja adentro.

e) Rotar el tubo rpidamente 180.

f) Cuando la arena se sedimente en el fondo del tubo, rotar de nuevo rpidamente 180 y colocarlo en un soporte a fin que se permanezca verticalmente y sin perturbaciones.

g) Marcar en el tubo con lpiz especial, el borde superior de la arena.

h) Remover la arena y el agua del tubo.

i) Aadir agua hasta la marca que se hizo en el tubo y medir este volumen en un cilindro graduado.

La porosidad en porcentaje ser igual a:

EL volumen de vacos puede hallarse por la diferencia entre el volumen medido y el cilindro graduado (Volumen Total) menos el volumen de la muestra (peso de la muestra, 150 gramos divido por su peso especfico).

2.2.1Clculo de la porosidad:

La porosidad ser igual:

Vev = Volumen espacios vacios = VT - Vm VT = Volumen total = Volumen medido en el cilindro graduado Vm = Volumen de la muestra

La objecin que Baylis hace a este mtodo es al que nos e tiene en cuenta la profundidad del lecho real y que en consecuencia no representa la porosidad que existe en el filtro.

Sugiere por eso colocar suficiente muestra del material granular en un tubo de plstico o de vidrio (2 de dimetro) como para que alcance una altura de 60 cm (24), o sea alrededor de 1000 gramos de arena 600 gramos de antracita. La muestra debe ser previamente desecada y pesada.

Este medio filtrante se lava con flujo ascendente hasta producir una expansin del 50% y luego se deja asentar lentamente, se procede enseguida como los casos anteriores g, h, i. El clculo de la porosidad tambin es similar. La porosidad hallada en esta forma es de 1 a 2 % menor que la encontrada con el mtodo Hulbert y Feben.

2.2 GRANULOMETRA DE UN LECHO FILTRANTE

A medida que se va lavando repetidas veces un filtro, se va perdiendo el medio filtrante ya sea por las canaletas de lavado o por los drenes. Este problema es particularmente ya sea por las canaletas de lavado o por los drenes: este problema es particularmente agudo cunado la planta apenas entra en funcionamiento, sobre todo si no se ha tenido la precaucin de deshacerse de l las partculas ms finas o livianas.

De cualquier manera la granulometra del lecho cambia con el tiempo, en especial en la capa superior.

Es muy til observar el grado de intermezcla de los medios y la estratificacin de las capas de los distintos materiales. Tambin se poda analizar un anlisis granulomtrico si se considera necesario.

Figura 1: Muestreador para medios filtrantes

Fuente: Arboleda Valencia, Jorge A. Teora, diseo y control de los procesos de clarificacin del agua. (CEPIS, Lima, 1972). p.493

2.3 PESO ESPECFICO

La determinacin del peso especfico de una muestra de medio granular puede realizarse de la siguiente forma:

a) Secar la muestra del medio filtrante que se quiere analizar durante 24 horas durante 103C.

b) Pesar cuidadosamente una muestra de 150 gramos y colocarla en un vaso de precipitado de 400 ml.

c) Aadir 100 ml de agua destilada y hervir durante 5 minutos a fin de expulsar el aire.

d) Pesar el matraz desecado de 250 ml.

e) Enfriar y llevar la muestra a ese matraz. Completar con agua destilada hasta la marca.

f) Pesar el agua ms el matraz ms la muestra del lecho filtrante. El peso especfico ser igual a:

El Volumen de la muestra es igual a:

Va= volumen de la muestra ms el agua=250ml Vb= volumen de agua desplazada

III. EQUIPOS Y MATERIALES1. Balanza Mecnica De Triple Brazo OHAUS. Tres brazos con indicadores o muescas alineados. Resorte de compensacin de ajuste de "cero" Capacidad de pesaje: 2610g Sensibilidad: 0.1g

Figura 2

Fuente: foto tomada en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNACNota: Para pesar la muestra (arena fina), se us una balanza digital, marca MIRAY2. Tubos de VidrioTubos largos de vidrio,

Figura 3

Fuente: foto tomada en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC

3. ProbetasEs un instrumento de laboratorio que se utiliza, para contener o medir volmenes de lquidos de una forma aproximada. Se utiliz 2 probetas:Laboratorio de Ingeniera Qumica IIPorosidad de un lecho de material granular

20 LBY- Germany Capacidad: 25ml 0.5 ml

Kyntel Capacidad: 100ml 1 ml

Figura 4

Fuente: foto tomada en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC4. Luna de reloj Es un instrumento de laboratorio de qumica que se usa para: Pesar sustancias slidas. Desecar pequeas cantidades en disolucin.Figura 5

Fuente: foto tomada en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC5. Fiola (matraz aforado)Es un recipiente de vidrio de cuello muy largo y angosto, en el cual tienen una marca que seala un volumen exacto a una temperatura determinada que est grabada en el mismo recipiente y generalmente es 20c. Kyntel Capacidad: 250 mlFigura 6

Fuente: Imagen de internet

6. Embudo de vidrioSon de forma cnica y generalmente fabricados en vidrio. LBT-GermanyFigura 7

Fuente: foto tomada en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC7. EsptulaEs una lmina plana angosta que se encuentra adherida a un mango hecho de madera, plstico o meta, es utilizada principalmente para tomar pequeas cantidades de compuestos o sustancias slidas, especialmente las granulares.Figura 8

Fuente: Imagen de internet 8. PicetaSon recipientes de plstico que se llenan generalmente con agua destilada.Uso: Se les emplea fcilmente para enjuagar materiales previamente lavados, completar volmenes de lquidos y lavar precipitados.

Figura 9


9. Soporte Universal y pinzaEs un instrumento que se usa en el laboratorio, suele ser de metal, constituido por una larga varilla enroscada en una base.Usos: Para realizar montajes con los diversos materiales y obtener sistemas de medicin o de diversas funciones. Figura 10 Figura 11 Fuente: fotos tomada en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC

10. Vaso precipitadoTiene forma cilndrica y posee un fondo plano, se encuentran en varias capacidades. Su objetivo principal es contener lquidos o sustancias qumicas diversas de distinto tipo. 2 vasos precipitados de 500 mlFigura 12

Fuente: foto tomada en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC11. Una cocinillaConfiere una temperatura a la sustancia que se le pone en contacto con ella.Figura 13


12. Arena finaLa arena fina es un conjunto de partculas de rocas disgregadas, se denomina arena fina al material compuesto de partculas cuyo tamao vara entre 0,063 y 2 mm.Figura 14


IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Experiencia 1: Porosidad de un lecho de material granular

El procedimiento para determinar la porosidad de un lecho de arena fina se sustenta en el Mtodo de Hulbert y Feben. La muestra de arena fina debi haberse lavado antes de realizar la experiencia para eliminar toda la tierra o polvo que pueda contener, y luego desecada. Luego del secado se debe embolsar y sellar rpidamente para evitar que la arena absorba humedad del medio ambiente. Pesar 150gr de arena fina en una luna de reloj.

Figura 15


Colocar la muestra de arena fina en el tubo de vidrio y adicionar agua hasta la mitad para ir mojando la arena luego agitar para extraer el aire con la ayuda del agua.

Figura 16Figura 17Fuente: fotos tomadas en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC

Luego de haber extrado todo el aire, llenar el tubo completamente con agua y colocarle cuidadosamente un tapn de goma, de modo que no queden burbujas de aire dentro. Girar rpidamente 180.

Figura 18 Fuente: foto tomada en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC

Luego cuando la arena se sedimente en el fondo del tubo, rotarlo de nuevo rpidamente en 180

Figura 19 Figura 20Fuente: fotos tomadas en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC

Luego colocarlo en un soporte a fin de que permanezca verticalmente y sin perturbaciones. Marcar en el tubo, con un lpiz especial, el borde superior de la arena.

Figura 21 Figura 22Fuente: fotos tomadas en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC Remover la arena y el agua del tubo. Aadir agua hasta la marca que se hizo en el tubo y medir este volumen en un cilindro graduado.

Figura 23 Figura 24 Fuente: fotos tomadas en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC

El procedimiento se repite por tres veces para obtener un valor promedio.

Experiencia 2: Determinacin de la densidad de una muestra de medio granular

La determinacin de la densidad de una muestra de medio granular puede realizarse en la siguiente forma. La muestra de arena fina debi haberse lavado antes de realizar la experiencia para eliminar toda la tierra o polvo que pueda contener, y luego desecada. Luego del secado se debe embolsar y sellar rpidamente para evitar que la arena absorba humedad del medio ambiente.

Pesar 150gr de arena fina y colocarlo en un vaso de precipitados.}

Figura 25


Aadir 100 ml de agua en el vaso de precipitados y hervir durante 5 minutos a fin de expulsar el aire moviendo constantemente.

Figura 26


Enfriar y llevar la muestra a la fiola de 250ml. (previamente pesado).

Figura 27 Figura 28Fuente: fotos tomadas en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC

Completar con agua destilada hasta la marca. Pesar la fiola junto con la muestra y el agua.

Figura 29 Figura 30

Fuente: fotos tomadas en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC Repetir el procedimiento por triplicado y obtener un valor promedio.V. OBSERVACIONES EXPERIMENTALES

Experiencia 1: Porosidad de un lecho de material granular

La balanza electrnica que se us en la experiencia solo da valores enteros, por lo tanto no tendremos un dato exacto en el pesaje.

Cierta cantidad de arena se queda atrapada en el tapn, eso puede generar una pequea variacin de los datos obtenidos.

Experiencia 2: Determinacin de la densidad de una muestra de medio granular

Como la arena fina presenta cierta suciedad puede que esta genere datos errneos.

La balanza electrnica que se us en la experiencia solo da valores enteros, por lo tanto no tendremos un dato exacto en el pesaje.

Se pierde cierta cantidad de arena en el vaso al tratar de pasarla a la fiola.

VI. DATOS EXPERIMENTALESExperiencia 1: Porosidad de un lecho de material granular

Masa de la luna de reloj:102gr Masa de la muestra(arena):150gr

Despus de humedecer la arena con una agitacin horizontal, y girar el tubo 180 dos veces, se hace la medicin del volumen que ocupa la arena, llenando el tubo con agua hasta la lnea marcada, los datos se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 1

Nmero de corridasVolumen del agua

1108.5ml

2108.6ml

3108.2ml

Fuente: Datos experimentales tomados en el LOPU- UNACExperiencia 2: Determinacin de la densidad de una muestra de medio granular

Masa de la muestra(arena): 150 gr Masa de la fiola:99g Volumen de la luna de reloj: 102gr

Despus de calentar la arena en un vaso precipitado y filtrarla en una fiola, se procedi a pesar obteniendo los siguientes datos de la tabla:

Tabla 2Nmero de corridasMasa (fiola + arena + agua)Volumen precipitado

1434g185ml

2440.45gl191.45ml

3442.65g193.65ml

Fuente: Datos experimentales tomados en el LOPU- UNAC

Mtodo adicional, para determinar la densidad:

Volumen inicial: 50ml

Tabla 3

Nmero de corridasVolumen final

169.3ml

269.6ml

Fuente: Datos experimentales tomados en el LOPU- UNAC

VII. RESULTADOS Y CLCULOS EXPERIMENTALES

Primero procederemos al Clculo de la densidad de una muestra de arena

De la tabla 2 obtenemos la Masa muestra +agua, de la siguiente manera:

Para esto debemos recordar que: Peso del matraz = 99 g

Tabla 4N DE MUESTRAMasa muestra+agua

1335 g

2341.45 g

3343.6 g

Fuente: Elaboracin propia (clculos)

Obtenemos la Masa de agua desplazada, de la siguiente manera:

Para esto debemos recordar que: Masa Muestra = 150 g

Tabla 5

N DE MUESTRAMasa de agua desplazada

1185 g

2191.45 g

3193.65 g


Ahora calculamos el Volumen de agua desplazada, mediante:

Tabla 6N DE MUESTRAMasa de agua desplazada (

1185 ml

2191.45 ml

3193.65 ml


Procedemos a calcular el Volumen de la muestra, mediante:

Debemos recordar que:

Tabla 7N DE MUESTRA

165 ml

258.55 ml

356.35 ml


Finalmente calculamos la DENSIDAD DE LA MUESTRA:

Tabla 8N DE LA MUESTRA

12.30769 g/ml

22.56191 g/ml

32.66193 g/ml


De la tabla, hallamos la DENSIDAD PROMEDIO es:

Forma opcional de calcular el la Densidad de una muestra de arena Llenar una probeta graduada hasta la mitad con agua y determinar el volumen de lquido introducido (Volumen inicial). Introducir el slido pesado en la probeta graduada. Se debe tener la precaucin que no queden burbujas de aire adheridos a la superficie del slido Determinar el nuevo volumen y anotarlo como Volumen final

Tenemos que el Volumen inicial es de: De la experiencia para el Volumen final, se obtuvieron los siguientes datos al agregar la arena

De la tabla 3 tenemos que el Volumen del slido es:

Tabla 9N DE MUESTRAVOLUMEN DEL SOLIDO

119.3 ml

219.6 ml


Teniendo como base 50 g de arena introducida, tenemos que:

Tabla 10N DE MUESTRADENSIDAD DE LA ARENA

12.59067 g/ml

22.55105g/ml


Sacando un promedio, tenemos que:

Calcularemos la Porosidad, mediante:

De la experiencia , se obtuvieron los siguientes datos:

Tabla 11N DE MUESTRAVolumen en el cilindro graduado

1108.5 ml

2108.6 ml

3108.2 ml


De la tabla adjunta ,obtenemos un promedio de los datos :

Procederemos a hallar el Volumen de la muestra

Teniendo como base: 150 g de arenaPor ende el Volumen de la muestra es de:

Ahora calculamos el Volumen de espacios vacos ( :

Finalmente la Porosidad ser igual a :

VIII. ANLISIS DE LOS RESULTADOS

Dado el valor de porosidad obtenido ( podemos concluir que el valor esta dentro del rango terico para materiales granulares. Se debe tener en consideracin que la seleccin del tamao de partcula incide en el valor de la porosidad, cuanto mejor sea la seleccin de tamao (ms homogneo) ms porosa ser, caso contrario las partculas ms pequeas ocupan parte de los poros.

IX. CONCLUSIONES

Para obtener una buena medicin del volumen que ocupa la arena, es necesario asegurarse que no haya aire dentro del tubo.

Para hallar la porosidad de lecho as como la densidad de la arena requiere de un mtodo que depende de conocer muy certeramente el volumen de la muestra de material granular.

X. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Warren L. MacCabe, Julian C. Smith. Ingeniera Qumica Operaciones Bsicas. (Editorial Revert, Barcelona, 1973) p. 163-164

Arboleda Valencia, Jorge A. Teora, diseo y control de los procesos de clarificacin del agua. (CEPIS, Lima, 1972). p.493-495

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