Tema 1

INGENIERÍA DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓNPRODUCCIÓN

Principios de Ingeniería

Prof. Roxana Martínez

Tema 1: Introducción a los Tema 1: Introducción a los Cálculos en IngenieríaCálculos en Ingeniería

Unidades y dimensionesUnidades y dimensiones La unidad molLa unidad mol Convenciones para los métodos de Convenciones para los métodos de

análisis y mediciónanálisis y medición TemperaturaTemperatura PresiónPresión Ecuación Química y EstequiometríaEcuación Química y Estequiometría Elección de la base de cálculoElección de la base de cálculo

Unidades de MedidaUnidades de Medida

Sistema Internacional de Medidas (SI)

Propiedad física Nombre de la unidad

Símbolo

Longitud Metro m

Masa Kilogramo kg

Tiempo Segundo s

Corriente eléctrica Amperio A

Temperatura Kelvin K

Intensidad luminosa Candela cd

Cantidad de sustancia Mol mol

Unidades Básicas

Unidades de MedidaUnidades de MedidaU

nid

ades

Der

ivad

as

Propiedad física Nombre de la unidad

Símbolo

Área Metro cuadrado m2

Volumen Metro cúbico m3

Densidad Kilogramo por metro cúbico

kg/m3.

Fuerza Newton N (kg.m/s2)

Presión Pascal Pa (N.m-2)

Energía Julio J (kg m2 s-2)

Carga eléctrica Coulombio C (A.s)

Diferencia de potencial Voltio V (J.C-1)

Resistencia Ohmio Ω (V.A-1)

Sistema Internacional de Medidas (SI)

Unidades de MedidaUnidades de MedidaP

refi

jos

uti

liza

do

sSistema Internacional de Medidas (SI)

Prefijo Símbolo Significado Ejemplo

Tera T 1012 1 terametro(TM)=1x10 12m

Giga G 109 1 gigametro(Gm)=1x10 9m

Mega M 106 1megametro ( Mm)= 1x10 6m

Kilo K 103 1kilómetro (Km) = 1x10 3m.

deci d 10-1 1decímetro(dm) = 1x10 -1m

centi c 10-2 1centímetro(cm)= 1x10 -2m

mili m 10-3 1milímetro ( mm) = 1x10 -3m.

micro µ 10-6 1micrómetro(?m) =1x10 -6m

nano n 10-9 1nanómetro(nm) = 1x10 -9m

pico p 10-12 1picómet ro(pm) = 1x10 -12m

Unidad de MolUnidad de Mol

El mol: del latín (moles= 1 masa)

Cantidad de Materia de un sistema con un número de entidades elementales igual a los átomos contenidos en 0.012 Kg. de C12

El número de Avogadro:

12 g de C12 = 6.0221367x1023 átomos

Número de Avogadro= 6.02x1023

Masa Molar = masa (g)/mol

Convenciones para los Métodos Convenciones para los Métodos de Análisis y Mediciónde Análisis y Medición

DensidadDensidad Peso específico relativoPeso específico relativo Volumen específicoVolumen específico Medidas de concentraciónMedidas de concentración InflamabilidadInflamabilidad ToxicidadToxicidad


DensidadDensidad

ρ = masa/volumen

Peso Específico RelativoPeso Específico Relativo

p.e.r =ρ(sustancia de interés)

ρ(sustancia referencia)

Para líquidos, la sustancia de referencia es el aguaPara gases, la sustancia de referencia es el aire


Volumen EspecíficoVolumen Específico

υ = volumen/masa

Fracción Molar y Fracción MasaFracción Molar y Fracción Masa

Fracción molar A = Moles de AMoles Totales

Reciproco de la densidad

Fracción masa A = Masa de AMasa Total

Inflamabilidad0 No combustible3Se deben someter a altas temperaturas para encenderse4Se pueden encender a temperatura ambiente5Forma mezclas explosivas en aire con polvos, aerosoles


InflamabilidadInflamabilidad

El punto de inflamación de una sustancia es la temperatura del aire a la que el vapor que está sobre una sustancia producirá un destello o explotará en presencia de una flama. Es importante al manejar líquidos.

Toxicidad0 No hay efecto tóxico a menos que la dosis sea muy alta1 Lesión menor, fácilmente reversible4Lesión menor temporal o permanente5Lesión mayor temporal o permanente que puede poner en peligro la vida6muerte


ToxicidadToxicidad

El grado de toxicidad (peligro para la salud) se basan en exposición de personas por cualquier vía.

TemperaturaTemperatura

373 K 100 ºC 212 ºF El agua hierve

273 K 0 ºC 32 ºF El agua se congela

310 K 37 ºC 98.6 ºF Temperatura normal del cuerpo

Escala Kelvin Escala Celsius Escala Fahrenheit Escala Rankine

672 R

492 R

558.6 R

Escala Absoluta

Escala Relativa

K = ºC + 273,15 R = ºF + 460ºF = 1,8 ºC + 32

PresiónPresiónFuerza normal por unidad de área

Pgas = h1 Pgas = h2 + Patm Pgas + h3 = Patm

h1h1

h2h3

Presión barométrica

Presión absoluta

Vacío

MercurioPresión

manométrica

Presión manométrica + Presión barométrica = Presión absoluta

PresiónPresiónUnidades de Medida

• Milímetros de mercurio (mm Hg)• Pies de agua (ft H2O)• Atmósferas (atm)• Bares (bar): 100 kPa = 1 bar• Kilogramos (fuerza) por centímetro cuadrado (kg/cm2)• Libras por pulgadas cuadradas absolutas (Lb/plg2) (psia)

1 atm = 760 mm Hg

1 atm = 33,91 ft H2O

1 atm = 14,7 psia

1 atm = 101,3 kPa

Ecuación Química y Ecuación Química y EstequiometríaEstequiometría

• Reactivo LimitanteReactivo Limitante: reactivo que está presente en la cantidad estequiométrica más pequeña.

• Reactivo en ExcesoReactivo en Exceso: reactivo que está presente en exceso del reactivo limitante

• ConversiónConversión: es la fracción de la alimentación o de algún material clave de la alimentación que se convierte en producto

• SelectividadSelectividad: es el cociente de moles obtenidos de un producto determinado (usualmente el deseado) entre los moles de otro producto (por lo general indeseable o secundario) obtenido

• RendimientoRendimiento: es la masa o moles obtenidos del producto final divididos entre la masa o moles del reactivo inicial o clave.

Estequiometría Estequiometría

Ejercicio 1

Desde un punto de vista simplista, un alto horno puede verse como un proceso en el que la reacción principal es:

Fe2O3 + 3C 2Fe + 3COAunque ocurren otras reacciones secundarias indeseables, principalmente:

Fe2O3 + C 2FeO + CO Después de mezcla 600,0 Lb de carbón (coque) con 1.00 Tonelada de óxido de hierro puro, el proceso produce 1200,0 Lb de hierro puro, 183 Lb de FeO y 85,0 Lb de Fe2O3. Calcule lo siguiente:•% Carbono en exceso suministrado, con base a la reacción principal•% Conversión Fe2O3 a Fe•La selectividad de este proceso (Fe respecto a FeO)

Elección de la Base de CalculoElección de la Base de Calculo

Base de Calculo

Es la referencia que usted elige para los cálculos que planea efectuar para resolver un problema, y la selección de la misma se hace para facilitar la resolución del problema.

Debemos hacernos las siguientes preguntas:

1. ¿De qué se va a partir?

2. ¿Qué respuesta se requiere?

3. ¿Cuál es la base de cálculo conveniente?

LA BASE DE CALCULO DEBE SER INDICADA AL PRINCIPIO DEL PROBLEMA


Ejercicio 2

Se ha efectuado la deshidrogenación de los alcanos inferiores empleando óxido cérico (CeO) como catalizador ¿Cuál es la fracción en masa y la fracción molar de Ce y O en el catalizador?


Ejercicio 2

Base de Cálculo: 1 Kg mol (porque se conoce la relación molar de Ce y O en el compuesto)

(Base de cálculo más convenienteBase de cálculo más conveniente)

Componente Kg molFracción

molarMasa Molar

KgFracción

masa

Ce 1 0.50 140.12 140.12 0.90

O 1 0.50 16.00 16.00 0.10

Total 2 1.00 156.12 1.00


Ejercicio 3

La mayor parte de los procesos para producir gas o gasolina con alto contenido de energía a partir de carbón incluyen algún tipo de paso de gasificación para obtener hidrógeno o gas de síntesis. Se prefiere la gasificación a presión por su mayor rendimiento de metano y más alta tasa de gasificación.

Considerando que una muestra de 50.0 Kg de gas produce 10.0 % de H2, 40.0 % de CH4, 30.0 % de CO y 20.0 % de CO2, ¿cuál es la masa molar media del gas?

Elección de la Base de CalculoElección de la Base de CalculoEjercicio 3

Base de Cálculo obvia: 50.0 Kg de gas(¿de qué se va a partir?¿de qué se va a partir?)

Componente % = Kg mol Masa Molar Kg

CO2 20.0 44.00 880

CO 30.0 28.00 840

CH4 40.0 16.04 642

H2 10.0 2.02 20

Total 100.0 2382

Base de Cálculo conveniente: 100.0 Kg mol

Masa Molar media = 2382 Kg/100 Kg mol = 23.8 Kg/Kg mol

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