MANUAL DE PRÁCTICAS DE FLUJO DE FLUIDOS PROGRAMA EDUCATIVO: INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS ELABORADO POR: DR. OSCAR FERNANDO PACHECO SALAZAR

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1 1 de 19 DE FLUJO DE FLUIDOS PROGRAMA EDUCATIVO: INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS ELABORADO POR: DR. OSCAR FERNANDO PACHECO SALAZAR Calkiní, Campeche, Febrero 2018 Revisó Aprobó Autorizó Presidente de Academia Dr. Luis Alfonso Can Herrera Coordinador del PE ARQ. Ramiro José González Horta Dirección Académica L.I. Miguel Angel Cohuó Avila

2 2 de 19 ÍNDICE 1. PRESENTACIÓN OBJETIVO GENERAL COMPETENCIA ESPECÍFICA DE LA ASIGNATURA COMPETENCIAS PREVIAS SEGURIDAD PRÁCTICA NÚMERO OBJETIVO INTRODUCCIÓN PROCEDIMIENTO CUESTIONARIO RÚBRICA DE EVALUACIÓN BIBLIOGRAFÍA PRÁCTICA NÚMERO OBJETIVO INTRODUCCIÓN PROCEDIMIENTO CUESTIONARIO RÚBRICA DE EVALUACIÓN BIBLIOGRAFÍA... 19

3 3 de PRESENTACIÓN El presente manual se ha elaborado con la intención de cubrir en su forma práctica la asignatura FLUJO DE FLUIDOS (ALM-1009), para la carrera de INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS. La asignatura de FLUJO DE FLUIDOS (ALM-1009) aporta al alumno los conocimientos y el criterio suficiente para seleccionar los equipos utilizados en el flujo de fluidos, en sistemas de: filtración, sedimentación y centrifugación, utilizados en el proceso de alimentos, cuidando aspectos de costos del equipo, operación y mantenimiento, que en conjunto permitan la sustentabilidad del proceso de alimentos, para su posterior aplicación en las asignaturas de tecnologías de alimentos, diseño de plantas de la industria de alimentos y formulación y evaluación de proyectos. 2. OBJETIVO GENERAL 2.1. Competencia específica de la asignatura Identificar, diferenciar y dominar los fundamentos, características y aplicación de los equipos que intervienen en el flujo de fluidos, filtración, sedimentación y centrifugación para optimizar procesos de producción, considerando la reducción de costos de operación y el impacto ambiental Competencias previas Realizar análisis dimensional y conversión de unidades en los diferentes sistemas. Identificar los estados de agregación de la materia y comprender sus propiedades. Recabar información a partir de fuentes fiables de consulta. Llevar a cabo un análisis crítico. Comprensión e interpretación de textos científicos en español e inglés.

4 4 de SEGURIDAD En caso de realizar la práctica en el laboratorio se deberá utilizar bata y tenerla siempre abrochada. En el caso de realizarla en el aula, no es necesario el uso de bata Recogerse el cabello largo. Mantener el área de trabajo limpia y ordenada.

5 4. PRÁCTICA NÚMERO 1 5 de 19 Título de la práctica: Determinación de la densidad de diferentes fluidos y de un objeto sólido. Fecha de realización de la práctica: 08 de marzo de 2018 Fecha límite para subir al MOODLE: 16 de marzo de 2018 NOMBRE DEL DOCENTE: Dr. Oscar Fernando Pacheco Salazar CARRERA(S): IIAL SEMESTRE: 4 GRUPO(S): A ASIGNATURA: FLUJO DE FLUIDOS PARCIAL: 1 NÚMERO Y NOMBRE DE LA PRÁCTICA: Determinación de la densidad de diferentes fluidos y de un objeto sólido. FECHA Y HORA PROPUESTA DE LA PRÁCTICA: 08 de marzo de :00-17:00 MATERIALES E INSUMOS 1 picnómetro 250 ml de agua destilada 250 ml de miel 250 ml de aceite comestible 250 ml de jabón líquido 250 ml de glicerina 1 esfera (canica o bola de acero) EQUIPO 1 balanza analítica Dr. Oscar Fernando Pacheco Salazar NOMBRE Y FIRMA DEL DOCENTE 23 de febrero de 2018 FECHA DE ENTREGA

6 6 de Objetivo Determinar la densidad de diferentes fluidos haciendo uso del picnómetro y de un objeto sólido (canica) 4.2. Introducción La densidad es la masa por unidad de volumen ρ = m V Donde m = masa en kg, SI. V = volumen en m 3, SI ρ es la letra griega Rho utilizada para designar la densidad. La unidad en Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI) utilizada es: 1 ρ = 1 kg m 3 La densidad es función de la temperatura y de la presión. En donde la densidad del agua es de 1000 kg/m 3 a 4 C. El picnómetro es un instrumento sencillo utilizado para determinar con precisión la densidad de líquidos. Su característica principal es la de mantener un volumen fijo al colocar diferentes líquidos en su interior. Esto nos sirve para comparar las densidades de dos líquidos pesando el picnómetro con cada líquido por separado y comparando sus masas. Es usual comparar la densidad de un líquido respecto a la densidad del agua pura a una temperatura determinada, por lo que al dividir la masa de un líquido dentro del picnómetro respecto de la masa correspondiente de agua, obtendremos la densidad relativa del líquido respecto a la del agua a la temperatura de medición. El picnómetro es muy sensible a los cambios de concentración de sales en el agua, por lo que se usa para determinar la salinidad del agua, la densidad de líquidos biológicos en laboratorios de análisis clínicos, entre otras aplicaciones.

7 7 de Procedimiento 1. Calcula la densidad de la esfera Mide la masa colocando la esfera en una balanza. Determine el volumen usando la fórmula v = (4 3)πr 3, donde r es el radio de la esfera. También puedes encontrar el volumen midiendo el desplazamiento de agua en la probeta graduada. Registra el nivel de agua inicial, coloca la esfera en el agua y registra el nuevo nivel de agua. Resta el nivel de agua inicial al nuevo nivel de agua. Este número es igual al volumen de tu esfera en mililitros (ml). Calcula la densidad con la fórmula ρ = m/v. La unidad para la densidad es g/ml. 2. Determina la densidad del líquido que vayas a medir. Mide la masa del líquido pesando primero el picnómetro vacío. Vierte el líquido en el picnómetro y luego pésalo otra vez. Resta la masa del picnómetro vacío a la del picnómetro con el líquido para obtener la masa del líquido en gramos (g). Para encontrar el volumen del líquido, observa simplemente la capacidad del picnómetro. Registra el volumen en mililitros (ml). Usa la fórmula ρ = m/v y tus medidas para calcular la densidad del líquido en g/ml. Anota tus resultados del promedio de tres mediciones para cada sustancia en la siguiente tabla. Tabla 4.1. Cálculo de la densidad Masa (gramos) Volumen (ml) Densidad (g/ml) Agua Aceite Miel Jabón líquido Glicerina Esfera NOTA. No olvides anotar todas tus observaciones para que puedas realizar un buen reporte.

8 8 de Cuestionario 1. De todos los fluidos analizados cual fue el más denso? 2. Debería cambiar la densidad de los fluidos con el aumento de la temperatura? Explique 3. Si se utiliza un cubo en lugar de una esfera, Cómo afecta esto al cálculo de la densidad? 4. El valor de la densidad obtenido para cada uno de los fluidos varía con los reportados en la literatura? Si es así Cuánto vario? 5. Cuáles podrían ser las fuentes de error a considerar en las presentes estimaciones?

9 9 de Rúbrica de evaluación Nivel de desempeño ASPECTO A EVALUAR CRITERIOS ESPECÍFICOS (100 %) PTS PORTADA Incluye nombre de la escuela, carrera, semestre y grupo, asignatura, nombre del docente, título del trabajo, nombre del alumno, matricula, lugar, fecha y ciclo escolar. Se cuida la ortografía. 5 OBJETIVOS Realiza una redacción completa y más clara de los objetivos. Se cuida la ortografía. 5 COMPETENCIAS ESPECIFICAS INTRODUCCION Realiza una introducción pertinente y más detallada, homogeneidad y originalidad del texto. Anexa antecedentes de la temática y su aplicación en casos específicos. Se cuida la ortografía. 10 ESTRUCTURA DEL REPORTE (80) MATERIALES Y METODOS RESUTADOS Y DISCUSION Incluye todos los materiales utilizados incluyendo fotos, diagramas y/o esquemas. Describe y sustenta claramente la metodología utilizada. Especifica las variables y unidades involucradas. Se cuida la ortografía. La descripción de los resultados es clara, precisa y objetiva. Critica de resultados en base a trabajos de otros autores y propone mejoras al procedimiento. Se cuida la ortografía CONCLUSIONES Las conclusiones son claras, puntuales y pertinentes y además están sustentadas en razonamientos y/o textos académicos. Se cuida la ortografía. Se cuida la ortografía. 15 REFERENCIAS Incluyen las citas de al menos dos libros y/o dos artículos científicos. Se cuida la ortografía. 5 CUESTIONARIO El alumno contesta correctamente al cuestionario incluido. 10

10 10 de 19 PARTICIPACIÓN GRUPAL Los alumnos participan de manera efectiva y colaborativa en el desarrollo de la práctica. Responden de manera colaborativa a las cuestiones generadas durante el desarrollo de la práctica. TRABAJO EN EQUIPO (10) PARTICIPACION POR ROLES El alumno se integra a las actividades asignadas dentro del grupo, y responde de manera individual a las cuestiones generadas durante el desarrollo de la práctica. 10 COMPETENCIAS GENERICAS ASISTENCIA Y PUNTUALIDAD El alumno asiste en tiempo y forma. Dentro de la tolerancia de 10 min iniciada la práctica. 4 DESEMPEÑO (10) DESTREZA O HABILIDAD DE EQUIPO/MATERIALES El alumno presenta capacidad de manejo de equipos y material de laboratorio. 3 CAPACIDAD DE ANALISIS / RESOLUCION DE PROBLEMAS El alumno tiene la capacidad de adaptarse a su entorno en la resolución de problemas. 3

11 11 de Bibliografía Se presentan las referencias bibliográficas utilizadas en el fundamento teórico y en el desarrollo de la práctica. 1. C.J. Geankoplis, Proceso de Transporte y Operaciones Unitarias, 3ª Ed., Editorial CECSA, México, Pierre Mafart, Ingeniaría Industrial Alimentaria Vol. I,3ª Ed., Editorial Acribia, España, Alan S. Foust, Leonard A. Wenzel, Curtis W. Clump, Louis Maus, L. Bryce Andersen, Principios de Operaciones Unitarias, 2a Ed., Editorial CECSA, México, María del Carmen Lomas Esteban, Introducción al Cálculo de Procesos Tecnológicos de los Alimentos, Editorial Acribia, España, R.L. Earle, ingeniería de los Alimentos, 2ª Ed., Editorial Acribia, España, J.G. Brennan, J.R. Butters, N.D. Cowll, A.E.V. Lilley, Las Operaciones de la Ingeniería de Alimentos 3ª Ed., Editorial Acribia, España, Heldman, D. R. And Sing, P. R. Food Process Engineering, The Avi. U.S.A Charm, S. E., The Fundamentals Of Food Engineering, The Avi U.S.A Desrosier, N. W., The Technology In Food Preservation, Second, Edition. The Avi. U.S.A Batty Folkman, Fundamentos de la Ingeniería de Alimentos, Ed. Cecsa 11. Jhon H. Perry, Manual Del Ingeniero Químico, Ed. Mc. Graw Hill 12. Peter Fellows, Tecnología del Procesado de los Alimentos. Principios y Prácticas. Ed. Acribia. 13. Bartholomai, A., Fabricas de alimentos: Procesos, equipamientos y costos, Ed. Acribia 14. Barbosa-Canovas y Otros, Métodos experimentales de la ingeniería de los alimentos, Ed. Acribia

12 5. PRÁCTICA NÚMERO 2 12 de 19 Título de la práctica: Medición de viscosidad de diferentes fluidos alimentarios. Fecha de realización de la práctica: 15 de marzo de 2018 Fecha de entrega del reporte (Moodle): 23 de marzo de 2018 NOMBRE DEL DOCENTE: Dr. Oscar Fernando Pacheco Salazar CARRERA(S): IIAL SEMESTRE: 4 GRUPO(S): A ASIGNATURA: FLUJO DE FLUIDOS PARCIAL: 1 NÚMERO Y NOMBRE DE LA Numero 2 PRÁCTICA: Medición de viscosidad de diferentes fluidos alimentarios FECHA Y HORA PROPUESTA DE LA PRÁCTICA: 15 de marzo de :00-17:00 MATERIALES REQUERIDOS: 4 probetas graduadas de 100 ml 4 vasos de precipitado de 200 ml 500 ml de agua destilada 500 ml de miel 500 ml de aceite 500 ml de jabón líquido 500 ml de glicerina 1 esfera (canica o bola de acero) EQUIPO REQUERIDO: 1 cronómetro 1 regla de 30 cm 1 balanza 1 calculadora Nota: Asegúrate de que el diámetro de la esfera no sea mayor de la mitad del diámetro de la probeta graduada de forma que pueda dejarse caer fácilmente dentro de él. Dr. Oscar Fernando Pacheco Salazar NOMBRE Y FIRMA DEL DOCENTE 28 de febrero de 2018 FECHA DE ENTREGA

13 13 de Objetivo Medir la viscosidad de diferentes fluidos alimentarios utilizando la Ley de Stokes y el viscosímetro Haake 7 plus Introducción La viscosidad es una medida cuantitativa de la resistencia de un fluido a fluir. Más concretamente, la viscosidad determina la velocidad de deformación del fluido cuando se le aplica un esfuerzo cortante dado. Considere el agua y la miel. El agua fluye con relativa libertad mientras que la miel es menos fluida. Debido a que la miel es más resistente al flujo, tiene una viscosidad más alta que el agua. Si bien hay una cantidad de métodos de los que escoger para decidir cómo medir la viscosidad, quizás el menos complicado involucra dejar caer una pelota en un recipiente transparente del líquido cuya viscosidad se esté intentando determinar. El fluido alrededor de una esfera ha sido estudiado por George Gabriel Stokes (1851). La ley de Stokes se refiere a la fuerza de fricción experimentada por objetos esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso en un régimen laminar de bajos números de Reynolds. La ley de Stokes puede escribirse como: F r = 6πRηv Donde R es el radio de la esfera, v su velocidad y η la viscosidad del fluido. Si las partículas están cayendo verticalmente en un fluido viscoso debido a su propio peso puede calcularse su velocidad de caída igualando la fuerza de fricción con el peso aparente de la partícula en el fluido. v e = [2r 2 g(ρ e ρ f )]/9η Despejando la viscosidad en la ecuación anterior, tenemos que: Donde r = Radio de la esfera g = Gravedad (9.8 m s 2 ) ρ esf = Densidad de la esfera ρ f = Densidad del fluido v e = Velocidad de la esfera η = [2r 2 g(ρ e ρ l )]/9v e

14 14 de Procedimiento Cálculo de la viscosidad utilizando la Ley de Stokes 1. Llena la probeta graduada con el líquido a medir y marca posiciones en la parte superior e inferior. Vierte lentamente el líquido experimental en la probeta graduada. Dibuja una marca en la parte superior del cilindro a alrededor de 2.5 cm de la parte superior del líquido. Dibuja una segunda marca a alrededor de 2.5 cm de la parte inferior de la probeta graduada. Mide la distancia entre las marcas superior e inferior. 2. Registra el tiempo que toma para que la esfera caiga entre las marcas (Ver Fig. 5.1). Los líquidos con bajas viscosidades serán más difíciles de medir con este método porque será más difícil iniciar y detener el cronómetro de forma precisa. Repite este paso por lo menos tres veces (mientras más veces lo repitas, tu medida será más precisa) y calcula el promedio de las tres veces. Figura 5.1. Medición del tiempo de caída de la esfera a una distancia d.

15 15 de Calcula la velocidad de la esfera La fórmula para la velocidad es v = d/t donde v es la velocidad, d es la distancia recorrida y t es el tiempo. Anota tus resultados en la siguiente tabla Medición 1 (tiempo) Medición 2 (tiempo) Medición 3 (tiempo) Tiempo promedio v = distancia/tiempo promedio Tabla 5.1. Cálculo de la velocidad de la esfera Agua Aceite Miel Jabón líquido Glicerina * La distancia es la que se tiene entre la marca superior e inferior de la probeta 4. Calcula la viscosidad del fluido. Reemplaza la información que obtuviste en la fórmula para la viscosidad: η = [2r 2 g(ρ e ρ f )]/9v donde ρ e es la densidad de la esfera, ρ f es la densidad del líquido, g es la aceleración debida a la gravedad (un valor fijo de 9.8 m/s 2 ), r es el radio de la esfera y v es la velocidad de la esfera. 5. Repite cada uno de los pasos anteriores para cada uno de los diferentes fluidos. Anota tus observaciones en la siguiente tabla: Tabla 5.2. Cálculo de la viscosidad de los distintos fluidos utilizando la Ley de Stokes Fluido Viscosidad (Pa*s) Agua Aceite Miel Jabón líquido Glicerina

16 16 de 19 Cálculo de la viscosidad utilizando el viscosímetro Haake 7 plus 1. Por último, medir la viscosidad de los distintos fluidos utilizando el viscosímetro Haake 7 plus. Anota tus observaciones en la siguiente tabla: Tabla 5.3. Cálculo de la viscosidad de los distintos fluidos utilizando el viscosímetro Haake 7 plus Fluido Viscosidad (Pa*s) Agua Aceite Miel Jabón líquido Glicerina NOTA. No olvides anotar todas tus observaciones para que puedas realizar un buen reporte Cuestionario 1. De todos los fluidos analizados cual fue el más viscoso? 2. Debería cambiar la viscosidad de los fluidos con el radio de la esfera? Explique 3. Debería cambiar la viscosidad de los fluidos con la densidad de la esfera? Explique 4. Si se utiliza un cubo en lugar de una esfera, Cómo afecta esto al cálculo de la viscosidad? 5. El valor de viscosidad obtenido por la Ley de Stokes varía con los valores obtenidos por medio del viscosímetro Haake 7 plus? Si es así Cuánto vario? 6. Cuáles podrían ser las fuentes de error a considerar en las presentes estimaciones?

17 17 de Rúbrica de evaluación Nivel de desempeño ASPECTO A EVALUAR CRITERIOS ESPECÍFICOS (100 %) PTS PORTADA Incluye nombre de la escuela, carrera, semestre y grupo, asignatura, nombre del docente, título del trabajo, nombre del alumno, matricula, lugar, fecha y ciclo escolar. Se cuida la ortografía. 5 OBJETIVOS Realiza una redacción completa y más clara de los objetivos. Se cuida la ortografía. 5 COMPETENCIAS ESPECIFICAS INTRODUCCION Realiza una introducción pertinente y más detallada, homogeneidad y originalidad del texto. Anexa antecedentes de la temática y su aplicación en casos específicos. Se cuida la ortografía. 10 ESTRUCTURA DEL REPORTE (80) MATERIALES Y METODOS RESUTADOS Y DISCUSION Incluye todos los materiales utilizados incluyendo fotos, diagramas y/o esquemas. Describe y sustenta claramente la metodología utilizada. Especifica las variables y unidades involucradas. Se cuida la ortografía. La descripción de los resultados es clara, precisa y objetiva. Critica de resultados en base a trabajos de otros autores y propone mejoras al procedimiento. Se cuida la ortografía CONCLUSIONES Las conclusiones son claras, puntuales y pertinentes y además están sustentadas en razonamientos y/o textos académicos. Se cuida la ortografía. Se cuida la ortografía. 15 REFERENCIAS Incluyen las citas de al menos dos libros y/o dos artículos científicos. Se cuida la ortografía. 5 CUESTIONARIO El alumno contesta correctamente al cuestionario incluido. 10

18 18 de 19 PARTICIPACIÓN GRUPAL Los alumnos participan de manera efectiva y colaborativa en el desarrollo de la práctica. Responden de manera colaborativa a las cuestiones generadas durante el desarrollo de la práctica. TRABAJO EN EQUIPO (10) PARTICIPACION POR ROLES El alumno se integra a las actividades asignadas dentro del grupo, y responde de manera individual a las cuestiones generadas durante el desarrollo de la práctica. 10 COMPETENCIAS GENERICAS ASISTENCIA Y PUNTUALIDAD El alumno asiste en tiempo y forma. Dentro de la tolerancia de 10 min iniciada la práctica. 4 DESEMPEÑO (10) DESTREZA O HABILIDAD DE EQUIPO/MATERIALES El alumno presenta capacidad de manejo de equipos y material de laboratorio. 3 CAPACIDAD DE ANALISIS / RESOLUCION DE PROBLEMAS El alumno tiene la capacidad de adaptarse a su entorno en la resolución de problemas. 3

19 19 de Bibliografía Se presentan las referencias bibliográficas utilizadas en el fundamento teórico y en el desarrollo de la práctica. 1. C.J. Geankoplis, Proceso de Transporte y Operaciones Unitarias, 3ª Ed., Editorial CECSA, México, Pierre Mafart, Ingeniaría Industrial Alimentaria Vol. I,3ª Ed., Editorial Acribia, España, Alan S. Foust, Leonard A. Wenzel, Curtis W. Clump, Louis Maus, L. Bryce Andersen, Principios de Operaciones Unitarias, 2a Ed., Editorial CECSA, México, María del Carmen Lomas Esteban, Introducción al Cálculo de Procesos Tecnológicos de los Alimentos, Editorial Acribia, España, R.L. Earle, ingeniería de los Alimentos, 2ª Ed., Editorial Acribia, España, J.G. Brennan, J.R. Butters, N.D. Cowll, A.E.V. Lilley, Las Operaciones de la Ingeniería de Alimentos 3ª Ed., Editorial Acribia, España, Heldman, D. R. And Sing, P. R. Food Process Engineering, The Avi. U.S.A Charm, S. E., The Fundamentals Of Food Engineering, The Avi U.S.A Desrosier, N. W., The Technology In Food Preservation, Second, Edition. The Avi. U.S.A Batty Folkman, Fundamentos de la Ingeniería de Alimentos, Ed. Cecsa 11. Jhon H. Perry, Manual Del Ingeniero Químico, Ed. Mc. Graw Hill 12. Peter Fellows, Tecnología del Procesado de los Alimentos. Principios y Prácticas. Ed. Acribia. 13. Bartholomai, A., Fabricas de alimentos: Procesos, equipamientos y costos, Ed. Acribia 14. Barbosa-Canovas y Otros, Métodos experimentales de la ingeniería de los alimentos, Ed. Acribia