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J.S.Ramrez-Navas 1
Procesos Industriales
Juan Sebastin Ramrez-Navas, IQ, PhD
Universidad Santiago de Cali
Cali Colombia
Variables
Juan Sebastin Ramrez-Navas, IQ, PhD
Universidad Santiago de Cali
Cali Colombia
CONTENIDO
Procesos industriales
Contenido
Variables
Materia
Presin
Temperatura
Bibliografa
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VARIABLES
Procesos industriales
Variables
El trmino variable se utiliza para designar una cantidad susceptible de tomar distintos valores numricos dentro de un conjunto de nmeros especificado.
Una constante es un valor que no cambia (aunque puede no ser conocido, o indeterminado).
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Variables
En los procesos industriales se emplean materias primas, servicios (agua, vapor, combustibles, etc.), materiales en proceso y productos.
Todo ello se maneja en forma de corrientes, cada una debidamente identificada, y adems caracterizada por:
V. extensivas (dependientes de la cantidad de materia)
V. intensivas (independientes de la cantidad de materia)
Las variables fundamentales suelen llamarse dimensiones bsicas.
Variables
Estas son:
M, la masa,
L, el espacio,
, el tiempo y
T, la temperatura;
Estas son las llamadas magnitudes fsicas.
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MATERIA
Procesos industriales
Masa
Es una propiedad fundamental de tipo escalar y
representa a la cantidad de materia, independiente de su ubicacin geogrfica; puede medirse con una balanza en
un campo gravitatorio. Se emplea para determinar si
una propiedad de la sustancia es intensiva o extensiva.
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Mol
William Ostwald en 1896 introdujo la palabra mol, (palabra latina que significa montn o pila).
Es la cantidad de una sustancia que contiene tantas entidades elementales como tomos hay en 0,012 kg de C12.
Las entidades pueden ser tomos, molculas, iones u otras partculas.
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Friedrich Wilhelm Ostwald (18531932)
Mol
1 mol = 6, 02214129*1023 unidades elementales
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masa en gg mol
peso molecular
masa en lblb mol
peso molecular
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Variables relacionadas con la materia
En la industria qumica se debe tener estricto control sobre la cantidad de materia que se maneja en los procesos; este control se lleva a cabo midiendo los gastos, o sea, la cantidad de materia que pasa por un punto o que se procesa por unidad de tiempo.
El gasto se puede expresar como: Gasto msico = M /
Gasto molar = M /
Gasto volumtrico = L3/ = V / caudal
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Variables relacionadas con la materia
Se puede utilizar el gasto para medir gases, lquidos, slidos o mezclas
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Gasto Msico Gasto Molar Gasto Volumtrico
De gases G Q
De lquidos L Q
De slidos S Q
De mezclas M Q
G
L
S
S
Composicin
Es una variable intensiva que generalmente se expresa como la concentracin de los diferentes componentes de una mezcla. Se puede expresar de diferentes maneras:
Concentracin msica
Concentracin molar
Fraccin msica
Fraccin molar
Relacin msica
Relacin molar
Porcentaje en volumen
Molaridad
Molalidad
Normalidad
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Composicin
Concentracin msica
Concentracin molar
Fraccin msica
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i 3
masa del componente i MC
Volumen L
ii
3
C MC
Peso Molecular de i L
i
masa de i Mx
masa total M
Composicin
Fraccin molar
Relacin msica
Relacin molar
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i
masa de i MX
masa total masa de i M
i
moles de i Mx
moles totales M
i
moles de i MX
moles totales moles de i M
Composicin
Porcentaje en volumen
Molalidad
Molaridad Normalidad
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i
tot
V%v / v *100
V
moles de solutoM
1L solucin
moles de solutom
1000 g disolvente
Equivalentes gramo de solutoN
1L solucin
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Densidad
Es una variable intensiva que relaciona la masa con el volumen de un cuerpo. Se usa ampliamente en las plantas qumicas como una manera fcil de obtener la concentracin y pureza de las corrientes. Hay diferentes formas de indicar la densidad, entre ellas Densidad absoluta
Densidad relativa
Peso especifico
Volumen especfico
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Densidad
Densidad absoluta Peso especifico
Densidad relativa Volumen especfico
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3
masa M
Volumen L
2
iR T C
H O
2 2
Peso MPe
Volumen L
31 L
M
Densidad (casos especiales)
Densidad en grados Baum
Escala usada en la medida de las concentraciones de ciertas soluciones (jarabes, cidos).
Lquidos ms ligeros
Lquidos ms densos
.
Densidad en grados API
Escala usada para medir la densidad relativa de los productos derivados del petrleo.
R a 60F/60F
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R
140Be 130
R
145Be 145
R
141,5API 131,5
PRESIN
Procesos industriales
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Presin
Es la fuerza que ejerce un fluido sobre la unidad de superficie de un cuerpo.
El aire que respiramos es un gran ocano de gas que rodea la Tierra
La presin va aumentando a medida que nos dirigimos hacia la Tierra debido al peso de la capa de aire soportada desde arriba.
Presin atmosfrica
Cuando se mide la presin atmosfrica, se est midiendo la presin que ejerce el peso de una columna de aire sobre 1 [m2] de rea en la superficie terrestre.
P = F/A
Donde: P es Presin [Pa], F es Fuerza
[N], A es rea [m] La unidad de presin en el SI es el
N/m2 que recibe el nombre de pascal [Pa] en honor de Blaise Pascal
Blaise Pascal (1623-1662)
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Presin
Pascal bar N/mm kp/m kp/cm Atm Torr
1 Pa (N/m)= 1 41404 41435 0,102 0,102E-4 0,987E-5 0,0075
1 bar (10N/cm) = 105 1 0,1 10200 1,02 0,987 750
1 N/mm = 106 10 1 1,02E5 10,2 9,87 7500
1 kp/m = 9,81 9,81E-5 9,81E-6 1 41374 0,968E-4 0,0736
1 kp/cm = 9,81E4 0,981 0,0981 10000 1 0,968 736
1 atm (760 Torr) = 101325 1,01325 0,1013 10330 1,033 1 760
1 Torr (mmHg) = 133,32 0,0013332 1,3332E-4 13,6 1,36E-3 1,32E-3 1
Unidades de presin y sus factores de conversin
Presin
Presin absoluta
Presin real en una posicin dada que se mide respecto al vaco absoluto
Presin manomtrica
Diferencia entre la presin absoluta y la atmosfrica
Presin de vaco Presiones inferiores a la
atmosfrica
En Termo se usa casi siempre la Pabs
Pman = Pabs Patm Pvac = Patm - Pabs
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Presin en un lquido
En la superficie est actuando la Patm o P0.
Y a una profundidad h, bajo una columna de lquido de volumen V, en forma de cilindro de base A, se tendr una presin P.
Si la columna de agua tiene un volumen V = Ah y densidad , entonces se tendr que la presin en la base inferior de la columna de agua, es:
P0
h
P
A
0P P P gh jsr
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Presin
Presin absoluta mayor que la presin
atmosfrica local
P (absoluta)
Patm (absoluta)
P (manomtrica)
P (absoluta)
Presin absoluta
menor que la presin
atmosfrica local
P (de vaco)
Presin atmosfrica
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Presin
Manmetro
Es un equipo utilizado para medir las diferencias pequeas y moderadas de presin
Se llama Pabs a la expresin:
P = P0 + gh
Se llama Pman a la expresin:
P P0 = gh
Si es de tubo abierto mide la Pabs, Si es cerrado mide la Pman
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Presin
Barmetro
Es un manmetro de tubo cerrado que se expone a la atmsfera y se utiliza para medir la Patm.
atmP gh
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TEMPERATURA
Procesos industriales
Temperatura
La temperatura es una propiedad fundamental y puede entenderse como aquella propiedad que
permanece invariable cuando dos sustancias estn en
equilibrio trmico
#
1
#
total part
i
i
Ec
T ctetotal part
Magnitud intensiva
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Equilibrio trmico
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Termmetros
Son instrumentos que permiten medir la temperatura de un sistema.
Una forma usual de construirlo es utilizando una sustancia que tenga un coeficiente de dilatacin que permanezca aproximadamente constante, como el mercurio (Hg). Dicha sustancia se dispone dentro de un tubo de vidrio graduado, de manera que las variaciones de temperatura conllevan una variacin de longitud que se visualiza a lo largo de la escala.
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Tipos de termmetros
Por ejemplo:
Mercurio
Alcohol
Elctrico, etc.
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Escalas de temperatura
Grado Raumur
Grado Celsius
Grado Kelvin
Grado Fahrenheit
Grado Rankine
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Grado Raumur
Escala de temperatura en desuso.
Nombrada en honor de Ren Antoine Ferchault de Raumur que la propuso como unidad en 1731.
Un valor de 0 Raumur corresponde al punto de congelacin del agua y 80 Raumur al punto de ebullicin del agua.
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Grado Fahrenheit
Escala de temperatura propuesta por Gabriel Fahrenheit en 1724.
Fija el 0 y el 100 en las temperaturas de congelacin y evaporacin del cloruro amnico en agua..
El punto de fusin del agua es de 32F, y el de ebullicin es de 212F.
Una diferencia de 1,8F equivale a la de 1C.
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Grado Rankine
El grado Rankine tiene su punto de cero absoluto a -460F y los intervalos de grado son idnticos al intervalo de grado Fahrenheit.
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Grado Celsius
El grado Celsius (C), denominado grado centgrado hasta 1948, es la unidad creada por Andrs Celsius para su escala de temperatura.
Es una de las unidades incluidas en el SI de Unidades y la ms utilizada internacionalmente.
Se define asignando el valor 0 a la temperatura de congelacin y el valor 100 a la de temperatura de ebullicin del agua, ambas medidas a una atmsfera de presin, y dividiendo la escala resultante en 100 partes iguales, cada una de ellas definida como 1 grado Celsius.
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Grado Kelvin
El Kelvin (K) es una unidad de temperatura creada por Lord Kelvin sobre la base de la escala centgrada, estableciendo el punto cero en el cero absoluto (-273,15C) y conservando la misma escala para cada grado.
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La importancia de los K radica en el 0 de la escala:
A la temperatura de 0 K se la denomina cero absoluto y corresponde al punto en el que las molculas y tomos de un sistema tienen la mnima energa trmica posible.
Ningn sistema macroscpico puede tener una temperatura inferior.
Grado Kelvin
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Celsius - Kelvin
Celsius: utiliz los puntos normales de congelacin y ebullicin del agua
Kelvin demostr que un gas ideal a presin constante tiene un V=f(T), por lo tanto, la temperatura ms pequea es aquella con volumen igual a cero, ya que no hay volmenes negativos.
0 (K) = -273,15 (C)
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Frmulas de conversin
Conversin de a Frmula
Fahrenheit Celsius C = (F - 32) / 1.8
Celsius Fahrenheit F = C 1.8 + 32
Fahrenheit Kelvin K = (F + 459.67) / 1.8
Kelvin Fahrenheit F = K 1.8 - 459.67
Fahrenheit Rankine R= F + 459.67
Rankine Fahrenheit F = R - 459.67
Fahrenheit Raumur R = (F - 32) / 2.25
Raumur Fahrenheit F = R 2.25 + 32
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BIBLIOGRAFA RECOMENDADA
Procesos Industriales
Bibliografa
Libros FELDER, R.M. Y ROUSSEAU, R.W. Elementary Principles of
Chemical Processes. 3 ed.: John Wiley & Sons, 2004. 702 p.
HENLEY, E.J.A., ROSEN, E.M. Y VZQUEZ, F.M. Clculo de balances de materia y energa: (mtodos manuales y empleo de mquinas calculadoras). Revert, 1973. 596 p.
HICKS, T.G., HICKS, S.D. Y LETO, J. Manual de clculos de ingeniera qumica. 3 ed.: McGraw-Hill, 1998. 1632 p.
HIMMELBLAU, D.M.A. Y GARCA, R.L.E. Principios bsicos y clculos en ingeniera qumica. 6 ed.: Prentice Hall : Pearson Educacin, 1997. 728 p.
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Bibliografa
Libros MCCABE, W.L. Y SMITH, J.C. Operaciones bsicas de
ingeniera qumica. Revert, 1981. 498 p. OCN GARCA, J. Y TOJO BARREIRO, G. Problemas de
ingeniera qumica: operaciones bsicas. Aguilar, 1986. PERRY, R. Manual del Ingeniero Qumico. 7 ed. USA: McGraw-
Hill, 1997. REKLAITIS, G.V. Y SCHNEIDER, D.R. Balances de materia y
energa. Interamericana, 1986. 649 p. WATSON, H., HOUGEN, O.A., WATSON, K.M. Y RAGATZ, R.A.
Principios de Los Procesos Qumicos. Reverte, Editorial S.A., 1982. 560 p.
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