UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA ANTONIO JOSÉ DE SUCRE VICERRECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA. Ingeniería Química

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA ANTONIO JOSÉ DE SUCRE VICERRECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Ingeniería Química Unidad I. Introducción a los cálculos de Ingeniería Química Clase Nº1 Autor: Prof. Ing. Juan E. Rodríguez C 1

2 Unidad I: INTRODUCCIÓN A LOS CALCULOS DE INGENIERÍA QUÍMICA ÍNDICE Dimensiones y Unidades Clasificación de las Unidades Múltiples y Submúltiplos Conversión de unidades Fuerza y peso Consistencia dimensional al transformar ecuaciones Proceso Variables extensivas e intensivas Variables de un Proceso Químico Masa Volumen Mol Ejercicios propuesto para esta clase 2

3 Unidad I: INTRODUCCIÓN A LOS CALCULOS DE INGENIERÍA QUÍMICA DIMENSIONES y UNIDADES Dimensión: Es una propiedad que se puede medir, como la longitud, el tiempo, la masa o la temperatura. Unidad: Es la manera de expresar la dimensión en forma cuantitativa, como los centímetros para la longitud o el segundo para el tiempo, entre otras. Clasificación de las unidades Unidades Básicas: Sirven de base para el sistema de unidades. Ejemplos: longitud (m), masa (Kg), tiempo (s), temperatura (K) y otras. Unidades Derivadas: Se obtienen por: Unidades Compuestas: Producto o división de unidades básicas, (m 3, pie/s 2, entre otras). Definidas: Como equivalentes de unidades derivadas, (1 Nw=Kg.m/s 2 ó 1 watt = 1 Joule/s). Múltiplos: Múltiplos o fracciones de unidades básicas o derivadas, (Kg, mg, MN y otras) Existen dos grandes sistemas de unidades: El Sistema Internacional (S.I) y el Sistema Anglosajón. 3

4 Tabla de múltiplos y submúltiplos Factor Prefijo Símbolo Factor Prefijo Símbolo Yotta Y 10-1 deci d Zeta Z 10-2 centi c Exa E 10-3 mili m Peta P 10-6 micro μ Tera T 10-9 nano n 10 9 Giga G pico p 10 6 Mega M femto f 10 3 Kilo K atto a 10 2 Hecto H zepto z 10 1 Deca da yocto y 4

5 1.2.- CONVERSIÓN DE UNIDADES No es más que la relación proporcional que existe entre dos unidades. Debido a la gran diversidad de unidades que se utilizan para expresar una dimensión, es muy frecuente el tener que convertir una unidad a otra. X(unidades nuevas) f = Z(unidades iniciales) Ejercicios: Convierta las siguientes unidades del sistema inglés al sistema internacional. a.- 15 pies a m b pulg 2 a m 2 c.- 79ºF a K d.- 32 psi a Pa e.- 264,17 galones a L FUERZA y PESO Según la 2 da Ley de Newton la FUERZA es: F = m*a Donde: F=Fuerza, m=masa y a=aceleración Entonces, Qué tipo de unidades tiene la fuerza en el S.I? El factor, g c : es un factor de conversión que se utiliza para convertir la fuerza de una unidad definida, como Newton (N), en una unidad natural (kg.m/s 2 ) F m* a g c Donde: Kg m / s 1 N g c 2 ó Lbm ft / s 32,174 Lbf g c 2 5

6 El PESO es la fuerza que ejerce la tierra sobre un cuerpo. Donde: P=Peso, m=masa y g=gravedad P m* g = 9,8066 m/s 2 g/g c = 9,8066 N/Kg g = 32,174 pie/s 2 g/g c = 1 Lbf/Lbm Mientras la MASA es la cantidad de materia que tiene un cuerpo y es un valor constante independientemente de donde se encuentre éste. Dimensión Sistema g g c S.I MKS CGS Inglés Fuerza (PESO) N dina lbf MASA kg kg g lbm NO OLVIDAR: Podemos sumar, restar o igualar las mismas unidades, pero no unidades distintas. Siempre trabaje con las unidades junto con los números en sus cálculos. Los ingenieros deben ser capaces de realizar cálculos empleando unidades tanto del S.I como del sistema estadounidense de ingeniería. 6

7 1.4.- CONSISTENCIA DIMENSIONAL AL TRANSFORMAR ECUACIONES Principio de Homogeneidad Dimensional, establece que las ecuaciones deben ser dimensionalmente consistentes. Es decir, Unidades(izquierda) = Unidades (derecha) Ejercicios 1) La ecuación de Francis para evaluar la altura de líquido sobre el vertedero de un plato de una columna de destilación es: h = 0,48 * F * (Q/L) 0,67 Donde: h = altura de líquido (in), F = factor de corrección (adimensional), Q = flujo de líquido (gal/min), L = longitud del vertedero (in). Se cambiaron los instrumentos de medición, razón por la cual se necesita que usted: a) Transforme la ecuación para que todas las variables de la misma estén expresadas en el sistema S.I. b) Cuáles son las unidades del coeficiente numérico 0,48? 2) Se realizaron pruebas experimentales en un laboratorio con vertedero y después de realizar el ajuste de datos por el método de mínimos cuadrados se obtuvo la siguiente ecuación: Q = 1,70 * L * H 1,6 Donde: H = altura del líquido sobre el borde de la cresta del vertedero (m), L = Longitud del vertedero (m), Q = Flujo volumétrico del fluido en m3/s. Se cambiaron los instrumentos de medición, razón por la cual se necesita que usted: a) Transforme la ecuación para utilizar la altura en pies y se requiere obtener el caudal en pie 3 /min. b) Diga: Cuáles son las unidades del coeficiente numérico 1,70? 7

8 1.5.- PROCESO PROCESO Ejemplos de cambios físicos en la industria? Operación que involucra Cambio Ejemplos de cambios químicos en la industria? Físico Químico 8

9 En la industria química, se debe tener estricto control sobre la cantidad de materia que se maneja en los procesos, este control se lleva a cabo midiendo gastos, o sea, la cantidad de materia que pasa por un punto o que se procesa por unidad de tiempo. VARIABLES Extensivas (dependen de la cant.) Masa Volumen Moles (Cantidad de Materia) Velocidad de Flujo Entre otras Intensivas (No dependen de la cant.) Densidad Volumen Específico Composición ó Concentración Temperatura Presión 9

10 VARIABLES DE PROCESOS 10

11 Recordemos los conceptos de algunas variables Masa: Cantidad de materia que tiene un cuerpo, es siempre la misma independientemente de las condiciones en las que éste se encuentre. Volumen: Espacio ocupado por un cuerpo, cambia al variar las condiciones de temperatura y presión a la cual se encuentra sometido el material, principalmente si éste se encuentra en estado gaseoso. Mol: Es la cantidad de materia que contiene 6,022 x partículas elementales (ya sea átomos, moléculas, iones, partículas subatómicas, etcétera). Por eso, cuando un químico utiliza el término mol, debe dejar en claro si es: 1 mol de Entidades Átomos de Cobre (Cu) 6, átomos de Cu Molécula de Nitrógeno (N 2 ) 6, moléculas de N 2 11

12 Lo que debe haberse aprendido en esta clase Haber repasado conocimientos básicos relativos a las unidades y las dimensiones Haber aprendido a identificar unidades en ecuaciones Haber aprendido a transformar ecuaciones bajo el concepto de homogeneidad dimensional Haber repasado conocimientos básicos relativos a masa, volumen y mol Introducción a los cálculos en Ing. Química Consistencia y Homogeneidad Dimensional 1 Ejercicios propuesto para esta clase: Himmelblau (6º Edición) Felder (2º Edición) CAP Problemas CAP Problemas 1-4, 6-10, 14, 15, 19, 20,