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Práctica de laboratorio, presión de vapor
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pRESION DE saturación
Facultad de Ingeniería Química
Laboratorio de Ingeniería Química I
Practica 1Presión de Vapor
Integrantes:Ana Patricia AvendañoImelda Cruz Huchim
Yazmin del rosario Ku MayZulma Ricalde Cab
Equipo: 4
Fecha de Entrega:13 de Febrero 2013
pRESION DE saturación
Introducción
La presión de vapor de un líquido es la presión ejercida por su vapor cuando los
estados líquido y vapor están en equilibrio dinámico.
Un líquido hierve cuando su presión de vapor es igual a la presión externa que actúa
sobre la superficie del líquido. En este punto se hace posible la formación de burbujas
de vapor en el interior del líquido. La temperatura de ebullición aumenta al
incrementarse la presión externa. El punto de ebullición de un líquido a una presión de
1 atm es su punto normal de ebullición, la temperatura de ebullición de un líquido (Teb)
es la temperatura a la cual el líquido tiene una presión de vapor igual a la presión
atmosférica. La ecuación de Clapeyron relaciona la presión de vapor con la
temperatura:
(1)
En donde Vv representa el volumen molar del vapor y V l el volumen molar del líquido.
Asimismo, Sv y Sl representan las entropías molares del vapor y el líquido,
respectivamente. Debido a que el proceso de vaporización es reversible, podemos
escribir para el cambio de entropía Sv − Sl
(2)
Donde ∆Hv es el calor molar de vaporización; por lo tanto,
(3)
pRESION DE saturación
Esta ecuación (ecuación de Clapeyron), es completamente general. En el caso
particular de una transición líquido-vapor en la que Vv >> Vl y, suponiendo que el vapor
se comporta aproximadamente como un gas ideal,
(4)
Por lo que la ecuación de Clapeyron, en este caso, se convierte en:
(5)
Que es la ecuación de Clausius-Clapeyron, que nos da la variación de la presión de
vapor con la temperatura.
Reordenando se obtiene:
(6)
Y haciendo la aproximación de que ∆Hv es independiente de la temperatura, la ecuación
anterior se puede integrar, resultando:
(7)
Donde P es la presión de vapor del líquido problema. Al representar gráficamente ln P
frente a 1/T se debe obtener una línea recta cuya pendiente es igual a
(8)
pRESION DE saturación
Con lo que a partir de medidas de presión de vapor de un líquido a diferentes
temperaturas se puede determinar su entalpía de vaporización.
Antecedentes
Descripción del equipo
Una unidad de banco diseñada para presentar a los estudiantes las características del
vapor de agua saturado.
El aparato consta de un circuito de tubo rectangular que incorpora una caldera cilíndrica
en un tubo vertical. El agua pura de la caldera se calienta hasta su punto de ebullición
usando un par de calentadores de cartucho con control de potencia variable. Una mirilla
en la parte delantera de la caldera permite observar los procesos internos, es decir, los
patrones de ebullición en la superficie del agua, y también permite monitorizar el nivel
de agua en la caldera. El vapor saturado que sale de la parte superior de la caldera
pasa alrededor del circuito de tubos antes de condensarse, y vuelve a la base de la
caldera, donde es recalentado. El intervalo de operación de la caldera y el circuito es de
0 a 7 bar efectivos. La sección superior del circuito de tubos incorpora un sensor de
temperatura PRT y un sensor de presión electrónico para medir las propiedades del
vapor saturado. Un punto de llenado en la sección superior permite llenar el circuito con
agua pura, y purgar con seguridad todo el aire antes de sellar el circuito para realizar
las mediciones bajo presión. Una toma de vapor, con válvula de aislamiento, permite
pasar vapor desde dentro del circuito a través de un calorímetro de estrangulación,
cuyo propósito es demostrar cómo puede determinarse el porcentaje de vapor seco del
vapor saturado del circuito. El vapor se expande hasta la presión atmosférica al ser
estrangulado, y un segundo sensor de temperatura PRT mide la temperatura del vapor
después de su expansión.
pRESION DE saturación
PRÁCTICA N° 1
OBJETIVO
Determinar experimentalmente la relación de la presión y la temperatura de
vaporización del agua en un sistema cerrado a volumen constante.
MATERIALES Y MÉTODOS
Equipo de medición de presión de saturación TH3.
4 litros de agua destilada.
Cronometro.
Procedimiento.-Puesta en funcionamiento
1. Verificar que las válvulas del calorímetro y drenaje de la Figura 3-1 se
encuentren cerradas.
Figura 3-1 Equipo de medición de presión de saturación.
2. Verificar que los sensores estén conectados correctamente al panel de control.
3. Verificar que el interruptor principal de la alimentación principal que se muestra
en la Figura 3-2 se encuentre en posición de apagado.
Válvula de drenaje
Válvula del calorímetro
Válvula de llenado
pRESION DE saturación
Figura 3-2 Interruptor principal
4. Abrir la válvula de llenado que se encuentra en la parte superior del equipo
utilizando una llave que se le será proporcionada, para llenar el tanque utilice
agua destilada hasta que el nivel llegue a tres cuartos de la mirilla de cristal
(Figura 3-3).
Figura 3-3 Calentador de agua.
5. Activar los interruptores principales y encender el equipo.
6. Tomar mediciones iníciales del termómetro de resistencia de platino y del sensor
electrónico de presión utilizando la perrilla que se encuentra en la parte anterior
del panel (Figura 3-4)
Interruptor principal
pRESION DE saturación
Figura 3-4 Panel de control.
7. Encender el calentador y colocar el control de calentamiento al máximo (Figura
3-4).
8. Esperar a que la presión dentro del equipo sea de 1 bar, posteriormente apagar
el calentador y observar la temperatura hasta que se mantenga estable, esto
permitirá además que la conducción del calor a través del equipo se estabilice y
reduzca los efectos del tiempo muerto.
9. Cuando los valores de la resistencia se estabilicen a anotar los datos.
10.Nuevamente encender el calentador hasta llegar a los 2 bar de presión y apagar,
espere a que la temperatura se estabilice y anotar los datos nuevamente.
11.Repetir este procedimiento hasta que se alcance la presión de 7 bar.
12.Apagar el calentador y tome los datos finales.
13.Abrir la válvula del calorímetro para permitir que el vapor sea liberado, en este
momento la presión y la temperatura empezarán a bajar.
14. Cuando la temperatura y la presión bajen al mínimo descargar el agua del
equipo utilizando la válvula de drenaje.
15.Llenar la Error: Reference source not found utilizando los datos recabados en el
experimento.
16.La resistencia corregida se calcula en base a la tabla 1 y la temperatura en la
tabla 2 del anexo.
17.Representar en una gráfica el ln Pabs contra 1/T. Y use esta grafica para obtener
la entalpía de vaporización del agua.
Perilla de selección
Interruptor del calentador
Control de calentamiento
Interruptor del equipo
pRESION DE saturación
18.En los mismos ejes de la grafica anterior, grafique el ln Pabs calculada utilizando
la ecuación 7.
19.La resistencia corregida se calcula en base a la tabla 1 y la temperatura en la
tabla 2 del anexo.
PRÁCTICA N° 2
OBJETIVO
Determinar experimentalmente la relación de la presión y la temperatura de
vaporización del agua en un sistema cerrado a volumen constante.
MATERIALES Y MÉTODOS
Equipo de medición de presión de saturación TH3.
4 litros de agua destilada.
Cronometro.
Procedimiento.-Puesta en funcionamiento
1. Verificar que las válvulas del calorímetro y drenaje de la Figura 3-1 se
encuentren cerradas.
pRESION DE saturación
Figura 3-5 Equipo de medición de presión de saturación.
2. Verificar que los sensores estén conectados correctamente al panel de control.
3. Verificar que el interruptor principal de la alimentación principal que se muestra
en la Figura 3-2 se encuentre en posición de apagado.
Figura 3-6 Interruptor principal
4. Abrir la válvula de llenado que se encuentra en la parte superior del equipo
utilizando una llave que se le será proporcionada, para llenar el tanque utilice
agua destilada hasta que el nivel llegue a tres cuartos de la mirilla de cristal
(Figura 3-3).
Válvula de drenaje
Válvula del calorímetro
Válvula de llenado
Interruptor principal
pRESION DE saturación
Figura 3-7 Calentador de agua.
5. Activar los interruptores principales y encender el equipo.
6. Tomar mediciones iníciales del termómetro de resistencia de platino y del sensor
electrónico de presión utilizando la perrilla que se encuentra en la parte anterior
del panel (Figura 3-4)
Figura 3-8 Panel de control.
7. Encender el calentador y colocar el control de calentamiento al máximo (Figura
3-4).
8. Esperar a que la presión dentro del equipo sea de 1 bar, posteriormente apagar
el calentador y observar la temperatura hasta que se mantenga estable, esto
permitirá además que la conducción del calor a través del equipo se estabilice y
reduzca los efectos del tiempo muerto.
9. Cuando los valores de la resistencia se estabilicen a anotar los datos.
Perilla de selección
Interruptor del calentador
Control de calentamiento
Interruptor del equipo
pRESION DE saturación
10.Nuevamente encender el calentador hasta llegar a los 2 bar de presión y apagar,
espere a que la temperatura se estabilice y anotar los datos nuevamente.
11.Repetir este procedimiento hasta que se alcance la presión de 7 bar.
12.Apagar el calentador y tome los datos finales.
13.Abrir la válvula del calorímetro para permitir que el vapor sea liberado, en este
momento la presión y la temperatura empezarán a bajar.
14. Cuando la temperatura y la presión bajen al mínimo descargar el agua del
equipo utilizando la válvula de drenaje.
15.Llenar la Error: Reference source not found utilizando los datos recabados en el
experimento.
16.La resistencia corregida se calcula en base a la tabla 1 y la temperatura en la
tabla 2 del anexo.
17.Representar en una gráfica el ln Pabs contra 1/T. Y use esta grafica para obtener
la entalpía de vaporización del agua.
18.En los mismos ejes de la grafica anterior, grafique el ln Pabs calculada utilizando
la ecuación 7.
19.La resistencia corregida se calcula en base a la tabla 1 y la temperatura en la
tabla 2 del anexo.
RESULTADOS
Practica N°1
Temperatura
(K)
Presión
(KPa)
Resistencia
(Ω)
321.15 100 137.9
323.15 200 138.7
324.15 300 139.9
326.15 400 141.3
329.15 500 145.3
pRESION DE saturación
331.15 600 146.9
332.15 650 147.6
ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIÓN
Tabs
(K)
Pabs
(kN/m2)1/Tabs Ln Pabs Resistencia
(Ω)
ResistenciaCorregida(Ω)
321.15 100 0.00311381 4.60517019 137.9
323.15 200 0.00309454 5.29831737 138.7
324.15 300 0.00308499 5.70378247 139.9
326.15 400 0.00306607 5.99146455 141.3
329.15 500 0.00303813 6.2146081 145.3
331.15 600 0.00301978 6.39692966 146.9
332.15 650 0.00301069 6.47697236 147.6
0.003 0.00302 0.00304 0.00306 0.00308 0.0031 0.003120
1
2
3
4
5
6
7f(x) = − 16121.6544234171 x + 55.1631722438429R² = 0.888690812638624
Gráfica de la Ecuación de Clapeyron
1/T
ln P
¿Calcule la Entalpía de vaporización?
pRESION DE saturación
Despejando de la ecuación (8):
−∆HR
=pendientede la curva
−∆HR
=55.163
ΔH=(55.163)(−8.314 JmolK
)
ΔH=−458.625 J /molK
¿Qué tanto se asemejan los datos obtenidos con los calculados?, ¿Por que?En cuestión de la presión no se asemejan debido a que la temperatura que me obtuve
fue medida en la mirilla por lo cual fue menor a la obtenida ya que por dentro la
temperatura del vapor fue de 92 °C
Practica N°2
Temperatura (K)
Presión (KPa)
Resistencia (Ω)
317.15 100 138.1
318.15 200 138.0
321.15 300 140
323.15 400 145
325.15 500 146.4
329.15 600 148.2
pRESION DE saturación
Resistencia
corregida Rc2
(Ω)
Temperatura
Absoluta T2
Tabs
(K)
Presión
Absoluta
Pabs
(kN/m2)
Entalpía de
saturación de
líquido de T1
Hf
Entalpía de
saturación de
vapor de T1
Hg
Entalpía del
vapor de T2
H2
Calidad del
vapor
X=(H2-Hf)/
(Hg-Hf)
317.15 100 115 2703
318.15 200 115.98 2712 2564 0.942989
321.15 300 117.07 2737 2588 0.943128
323.15 400 118 2754 2605 0.943474
325.15 500 120 2771 2620 0.943040
329.15 600 124 2806 2652 0.942580
0.9425
0.9426
0.9427
0.9428
0.94290.943
0.9431
0.9432
0.9433
0.9434
0.9435
0.94360
100200300400500600700
Gráfica Calidad del Vapor vs Presión
Calidad del Vapor
Pres
ión
pRESION DE saturación
0.9425
0.9426
0.9427
0.9428
0.94290.943
0.9431
0.9432
0.9433
0.9434
0.9435
0.9436312
316
320
324
328
332
Gráfica Calidad del Vapor vs Tem-peratura
Calidad del Vapor
Tem
pera
tura
¿Explique la variación de la calidad del vapor al variar la presión y la temperatura?En ambos casos se afirma que la calidad del vapor no es proporcional al cambio de presión y temperatura, de igual manera se observa que, la variación de la calidad del vapor no varía mucho a lo largo de las presiones y temperatura, se podría decir que presenta un comportamiento casi constante. Si variamos la temperatura, cambiara la presión pero se seguirá manteniendo la relación entre la calidad de vapor.
¿Que efecto puede tener la calidad del vapor en las consideraciones del diseño para la operación de una planta que trabaja con vapor sobrecalentado?Es uno de los pilares importantes conocer la calidad del vapor, puesto que a partir de
ese valor se puede plantear que tan eficaz resulta dicho vapor, debido a que una menor
calidad generaría una mayor energía y una mayor calidad necesitaría menos energía.
También es importante saber que a una menor calidad de vapor provocaría menos
disipación, que es importante para llevar una buena correlación.
CONCLUSIONESEl propósito de esta práctica, que era conocer sobre la ecuación mencionada
anteriormente, se logró. Los únicos inconvenientes que tuvimos en lo personal, fue el
pRESION DE saturación
tiempo, ya que nos tardamos más de lo programado y no terminamos por completo la
práctica, nos faltó el último valor de presión a 6.5 bar.
El equipo no presento una gran complejidad, puesto que es uno de los más sencillos y
más prácticos y ya habíamos leído acerca de él.
REFERENCIAS.
http://books.google.com.mx/books?id=0JuUu1yWTisC&pg=PA285&dq=%22presi
%C3%B3n+de+vapor
%22&hl=es&sa=X&ei=AHcaUaqeL4Gf2QXdkoHwBQ&ved=0CEEQ6AEwAw
Bursten, LeMay, Brown, “Química, La ciencia central”; Ed. PEARSON, 9º Ed.