PROTOCOLO ACADEMICO Y GUIA DE ACTIVIDADES CURSO DE PROCESOS QUÍMICOS

1. PROTOCOLO

1.1 FICHA TÉCNICA

FICHA TÉCNICANombre del curso: Procesos QuímicosPalabras clave: Procesos Químicos, Operaciones Unitarias, Balance de

Materia y Energía.Institución: Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNADCiudad: Bogotá D.C.Autor del Protocolo: Germán Andrés Castro MorenoAño: 2007Unidad Académica: Escuela de Ciencias Básicas Tecnología e IngenieríaCampo de Formación: ProfesionalÁrea del conocimiento: Ciencias Básicas de la IngenieríaCréditos académicos: Dos (2), correspondiente a 96 horas de trabajo del

estudiante, 26 de acompañamiento tutorial y 70 de estudio autodirigido

Tipo de curso: TeóricoDestinatarios: Estudiantes de la carrera de Ingeniería IndustrialCompetencia general de aprendizaje:

El estudiante comprende el concepto general de procesos, las transformaciones químicas que ocurren, las operaciones unitarias involucradas, los balances de materia y energía y contextualiza estos saberes en el campo profesional como Ingeniero de Procesos.

Metodología de oferta: Virtual y a distanciaFormato de circulación: Aula virtual, CD-ROM, Denominación de las Unidades Didácticas:

1. Conceptos básicos para el manejo y comprensión de procesos 2. Operaciones Unitarias involucradas en los Procesos Químicos.

1.2 JUSTIFICACIONDentro del campo de desempeño del Ingeniero Industrial, un área muy importante es la de transformación de una materia prima en un bien de consumo, a través de un proceso, allí el profesional debe tener un conocimiento de las transformaciones que se están llevando a cabo en cada una de las operaciones, esto con el ánimo de coordinar, dirigir rediseñar y optimizar el proceso, para economizar tiempo, materia prima, talento humano, todo lo cual redunda en reducción de costos en la producción. Con esto en mente, el curso de Procesos Químicos, trata de brindar al estudiante las herramientas que le permitirán comprender las nociones más importantes de los Procesos Químicos.

1.3 INTRODUCCIÓN

El concepto más general de proceso se refiere a este como una o más etapas que transforman una o más entradas en una o más salidas.

Este concepto es aplicable a procesos de toda índole, por ejemplo los procesos administrativos como expedir un pase de conducción que requieren como entrada una serie de documentos y dentro del proceso se incluyen etapas o trámites, en este caso, que finalmente conducen a obtener como salida el pase; el proceso de digestión que tiene como entradas los alimentos, como etapas intermedias están la masticación, el transporte por el tracto digestivo, la descomposición y asimilación de los alimentos, para finalmente obtener como salidas la energía, las excreciones y las secreciones.

Como se puede ver el concepto de proceso es ya conocido y manejado tal vez hasta ahora con otros enfoques, en el caso particular de los procesos químicos, a las entradas se les llamarán, materiales de entrada, alimentación o materias primas, a las etapas intermedias se les denominarán operaciones y las salidas serán los materiales de salida o productos, subproductos y coproductos. Todos los procesos químicos tienen en común que se centran en una reacción química, antes de la cual están las operaciones de adecuación de materias primas para la reacción y después las de purificación del producto y separación de subproductos y/o impurezas.

1.4 OBJETIVOS

Que el estudiante comprenda los conceptos básicos y las leyes fundamentales que rigen las transformaciones químicas.

Que el estudiante desarrolle balances de materia y energía sencillos dentro de un proceso de transformación.

Que el estudiante este en capacidad de relacionar y contextualizar los conocimientos adquiridos en su campo de desempeño y en el desarrollo de ejercicios de aplicación.

Que el estudiante se familiarice con la terminología de los procesos químicos y la aplique en estudios de caso.

Que el estudiante comprenda los conceptos relacionados con las operaciones unitarias involucradas e identifique cual de ellas aplicar según las particularidades del proceso.

1.5 COMPETENCIAS

El estudiante analiza cualquier sistema o proceso industrial y define las etapas, operaciones y transformaciones químicas involucradas y las puede representar por medio de un diagrama.

El estudiante aplica balances de materia y energía sencillos en operaciones unitarias.

El estudiante está en capacidad de sugerir la aplicación de operaciones de adecuación de una materia prima.

El estudiante está en capacidad de sugerir la aplicación de operaciones de purificación del producto y separación de impurezas

1.6 METODOLOGIA

La metodología utilizada es a distancia y/o virtual, con ella se describe la forma en que se abordará el curso de procesos químicos y se presentará una estructura sistematizada del mismo, acorde a los créditos del curso y al autoaprendizaje que se va a aplicar, para el alcance de las competencias planteadas. El proceso de aprendizaje comprende tres momentos:

El reconocimiento, aquí el estudiante crea un nexo entre los conocimientos previos y los nuevos usando técnicas proporcionadas para tal fin.

La profundización, consiste en el desarrollo de actividades previamente planificadas con el ánimo de dominar conceptos y competencias, planteadas de acuerdo a los objetivos del curso.

La transferencia, de conocimientos de situaciones conocidas a otras desconocidas, como lo son las aplicaciones o recontextualizaciones del conocimiento.

Estos momentos se desarrollan a través de tres estrategias de aprendizaje, el aprendizaje individual, el aprendizaje en pequeño grupo y el aprendizaje en grandes grupos, cada uno de ellos con sus respectivas asesorías tutoriales individuales, en grupos pequeños o de curso.

Respecto al material a manejar se tiene el Módulo que presenta los contenidos del curso, de vital importancia para el desarrollo, del curso en cualquiera de las dos modalidades.

Como apoyo del módulo se debe contar con una guía didáctica (presente documento), en la cual se hace evidente la aplicación de la metodología, con ella se pretende que tanto los estudiantes como los tutores, tengan siempre a la mano la orientación precisa de los cursos, allí se describen: los objetivos, contenidos y desarrollo temáticos, actividades complementarias; haciendo claridad que el tratamiento que se dará será el de trabajo por sesiones con la respectiva discriminación de las actividades a realizar en cada una de ellas.

Las nuevas tecnologías de la informática y las telecomunicaciones, dan apoyo al desarrollo de la modalidad virtual, ya que brindan herramientas que permiten la interacción entre los protagonistas del proceso de aprendizaje de tal manera que es posible conformar para cada curso una red de tutores y estudiantes en constante comunicación. El aula virtual es el medio que permite esta comunicación a través de interactividades de tipo sincrónico y asincrónico, también admite organizar los materiales (módulo y guía), para el fácil acceso en línea de los estudiantes.

1.8 SISTEMA DE INTERACTIVIDADES

Las interactividades se diferencian de si se trabaja con la metodología a distancia o virtual, para el primer caso se tiene el componente adicional de las tutorías programadas con el grupo, para el segundo caso las interactividades se pueden clasificar en dos tipos, sincrónicas si la interacción de los protagonistas del proceso es simultánea y asincrónicas cuando esto no se da; dentro de las interactividades del primer tipo se tiene:

La tutoría, que se puede dar personalmente o vía chat (actividad sincrónica) en ella se orienta el proceso de autoaprendizaje del estudiante mediante la aclaración de dudas de temas previamente revisados por él, también se da la información de retorno de los temas vistos con antelación.

El foro es una actividad de tipo asincrónico, en este espacio se abren discusiones en torno a un tema previamente determinado por el docente, durante un tiempo definido, durante el cual aparecerán todas las impresiones, opiniones y participaciones de los estudiantes y el tutor publicadas y de acceso para todos.

2. AGENDA

En la agenda se presenta la forma en que están estructurados los contenidos en los diferentes servicios de la plataforma virtual

UNIDADES DIDACTICAS CAPÍTULOS SEMANACONCEPTOS BÁSICOS Y OPERACIONES CON FLUIDOS

Generalidades de Operaciones Unitarias y Concepto Básicos

1-2

Balances de Materia y Energía 3-5Operaciones con Fluidos 6-8

OPERACIONES UNITARIAS Operaciones con Sólidos 9-10Operaciones de Transferencia de Calor

11-13

Operaciones de Transferencia de Masa

14-16

3. UNIDADES DIDACTICAS

UNIDAD DIDÁCTICA 1: CONCEPTOS BÁSICOS Y OPERACIONES CON FLUIDOS

UNIDAD DIDÁCTICA 2: OPERACIONES UNITARIAS

4. FUENTES DOCUMENTALES.

4.1 MÓDULO

Se cuenta con un texto guía elaborado para este curso en el 2007 por Germán Andrés Castro Moreno, en el material se hace el desarrollo teórico de los temas y se apoya en la guía didáctica, que cuenta con el protocolo y la guía de actividades, para orientar el desarrollo del curso y actividades a desarrollar.

4.2 BIBLIOGRAFÍA

AGUIRRE J. Ingeniería de Procesos Químicos. U. Nal de Colombia. 2004.

AUSTIN, G.T. (1983) Shreve’s Chemical Process Industries, 5th international ed., McGraw-Hill, New York, Sydney.

AUSTIN, George. (1992) Manual de Procesos Químicos en la Industria. Mc Graw Hill. BADGER Y BANCHERO. Unit Operations in Chemical Engineering. Mc Graw Hill Book Co.- 19922.

BROWN & Ass. Operaciones Unitarias. Wiley & Son. London 1990

FONSECA V.& Al. Operaciones Unitarias I en la Industria de Alimentos. UNAD.2000.

FONSECA V.& Al. Operaciones Unitarias II en la Industria de Alimentos. UNAD.2000.

GEANKOPLIS C. J. , Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias, Edit. CECSA, México,

1998.HINES & MADDOX. Transferencia de Masa, Fundamentos y Aplicaciones. Prentice Hall. 1987.KIRK, R.E. & OTHMER, D.F. (1998). Encyclopedia of Chemical Technology. (4th Ed.). New Cork, United States: Wiley-Interscience Publication.MC CABE. W. (1986) Operaciones Básicas en la Ingeniería Química. Mc Graw. Hill. TREYBAL, R., Operaciones de Transferencia de masa, EWdit Mc Graw Hill, 1996.VIAN ORTUÑO, Angel. (1996) Introducción a la Química Industrial. Ed. Reverté S .A. WELTY J.. Fundamentos de Transferencia de momento calor y Masa. Limusa. 1998.

4.3 CIBERGRAFÍAhttp://www.textoscientificos.com/sulfurico/http://www.textoscientificos.com/polimeroshttp://www.monografias.com/trabajos17/acido-citrico/acido-citrico.shtmlhttp://zip.rincondelvago.com/?00035796

5. EVALUACIÓN

Las actividades de evaluación y los porcentajes sugeridos para cada una de ellas, se presentan en la tabla y posteriormente, se describen.

ACTIVIDAD DE EVALUACIÓN % INDIVIDUALSemana 1 6Semana 2 6Semana 3 8Semana 4 8Semana 5 8Semana 6 6Semana 7 6Semana 8 10Semana 9 4Semana 10 6Semana 11 6Semana 12-13 10Semana 14 6Semana 15-16 10TOTAL 100

ACTIVIDADES

Semana 1Elaborar un escrito de dos hojas acerca de la percepción del estudiante respecto al desarrollo de procesos en su vida cotidiana.

Haga la lectura de la introducción de por lo menos dos de los libros de procesos Químicos citados y haga comentarios en la tutoría

Semana 2

Esquematizar en un diagrama de flujo dos o tres proceso que cuente con más de cinco etapas.

Presente y discuta acerca de las operaciones unitarias que sean allegadas a usted, que usted ponga en práctica, o que observe,(en la cocina se presentan muchos ejemplos).

Semana 3

Desarrollar los siguientes ejercicios:

1. Se determina que la temperatura de un proceso químico es 353.2 K. Cuál es la temperatura en F,C y R? Respuesta: 176 F, 80 C, 636 R

2. En el proceso de ahumado de carne para salchicha, aquélla llega a alcanzar una temperatura de 155 F. Calcule esta temperatura en C,K y R.

3. En la mayoría de los cálculos de ingeniería se supone que el aire está constituido por 21 % molar de oxígeno y 79 % molar de nitrógeno. Calcule el peso molecular promedio. Respuesta: 28.9 g /g mol, Ib /lb mol o kg /kg mol.

4. Una cierta cantidad de CO se oxida con O2 para formar CO2. ¿Cuántos kilogramos de CO2 se obtendrán con 56 kg de CO? Calcule además los kilogramos de 0, teóricamente necesarios para esta reacción, (Sugerencia: Escriba primero la ecuación química balanceada para obtener las moles de O2 necesarias para 1.0 kg mol de CO. Después calcule los kilogramos mol de CO en 56 kg de este compuesto.) Respuesta: 88.0 kg CO2, 32.0 kg O2.

5. Una mezcla gaseosa contiene 20 g de N2, 83 g de 02 y 45 g de CO2. Calcule la composición en fracciones mol y el peso molecular promedio de la mezcla. Respuesta: Peso molecular prom. = 34.1 g /g mol, 34.1 kg /kg mol

6. Una solución líquida contiene 1.15% en peso de una proteína, 0.27% en peso de KCl y el resto es agua. El peso molecular promedio de la proteína por permeación de gel es 525 000 g /g mol. Calcule las fracciones mol de los componentes en la solución.

7. Una solución acuosa de NaCl tiene 24% en peso de esta sal y su densidad es 1.178 g/cm3 a 25 C. Calcule lo siguiente:

a) Fracciones mol del NaCl y del agua.b) Concentración del NaCl en g mol/l, lb,/pie3, lb,/gal y kg/m3.

8. En la medición experimental del secado por congelación de carne de res, la cámara se mantiene a presión absoluta de 2.4 mm de Hg. Convierta esta presión a atm, pulg de agua a 4 C, Pm de Hg y Pa. (Sugerencia: Vea el anexo para los factores de conversión.) Respuesta: 3.16 *103 atm, 1.286 pulg H20, 2400 mm de Hg, 320 Pa

9. Un volumen de 65.0 pie3 de N2 gaseoso 90 F y 29.0 lb/pulg2 se comprime a 75 lb/pulg2 y se enfría a 65 F. Calcule el volumen final en pie3 y la densidad final en lb,/pie3. (Sugerencia: Asegúrese de convertir primero las presiones a lb/pulg2 abs y después a atm. Sustituya las condiciones originales en la ecuación de gases ideales y obtenga n en libras mol.)

10. Una mezcla de 0.13 g mol de NHs, 1.27 g mol de N2 y 0.025 g mol de vapor de H20, está contenida a una presión total de 830 mm de Hg y 323 K. Calcule lo siguiente:

a) Fracción mol de cada componente.

b) Presión parcial de cada componente en mm de Hg.c) Volumen total de la mezcla en m3 y pie3.

Semana 4Desarrolle los siguientes ejercicios:

1. Se está usando un evaporador para concentrar soluciones de azúcar de caña. Se evaporan 10000 kg/día de una solución que contiene 38% en peso de azúcar, obteniéndose una solución con 74% en peso. Calcule el peso de la solución obtenida y la cantidad de agua extraída. Respuesta: 5135 kg/día de la solución al 74% en peso, 4865 kg/día de agua.

2. Algunos pescados se procesan como harina de pescado para usarse como proteínas suplementarias en alimentos. En el proceso empleado primero se extrae el aceite para obtener una pasta que contiene 80% en peso de agua y 20% en peso de harina seca . Esta pasta se procesa en secadores de tambor rotatorio para obtener un producto “seco” que contiene 40% en peso de agua. Finalmente, el producto se muele a grano fino y se empaca. Calcule la alimentación de pasta en kg/h necesaria para producir 1000 kg/h de harina “seca”. Respuesta: 3000 kg/h de pasta

3. Un lote de 100 kg de madera húmeda con 11% en peso de humedad, se seca hasta reducir el contenido de agua a 6.38 kg/l.O kg de madera seca. ¿Cuál es el peso de madera “seca” y la cantidad de agua que se elimina?

4. Una pulpa de madera húmeda contiene 68% en peso de agua. Después de secarla se determina que se ha eliminado el 55% de agua original de la pulpa. Calcule la composición de la pulpa “seca” y su peso para una alimentación de 1000 kg/min de pulpa húmeda.

5. En un proceso para fabricar jalea, la fruta macerada que tiene 14% en peso de sólidos solubles se mezcla con aztícar (1.22 kg aztícar/l .OO kg de fruta) y pectina (0.0025 kg pectina/1 .OO kg de fruta). La mezcla resultante se evapora en una olla para producir una jalea con 67% en peso de sólidos solubles. Calcule, para una alimentación de 1000 kilogramos de fruta macerada, los kilogramos de mezcla obtenida, los kilogramos de agua evaporada y los kilogramos de jalea producida. Respuesta: 2222.5 kg de mezcla, 189 kg de agua, 2033.5 kg de jalea.

6. La harina de tapioca se usa en muchos países para hacer pan y productos similares. La harina se procesa secando los granos gruesos de la raíz de casave (que contienen 66% en peso de humedad) hasta reducirla al 5% y moliendo hasta finura de harina. ¿Cuántos kilogramos de granos deben secarse y qué cantidad de agua tiene que extraerse para producir 5000 kilogramos de harina por hora?

7. Una alimentación de 10000 kg de frijol de soya se procesa en una secuencia de tres etapas. La alimentación contiene 35% en peso de proteína, 27.1% en peso de carbohidratos, 9.4% en peso de fibras y cenizas, 10.5% en peso de humedad y 18.0% de aceite. En la primera etapa, los frijoles se maceran y se prensan para extraer el aceite, obteniéndose corrientes de aceite y de pasta prensada que todavía contiene 6% de aceite. (Suponga que no hay pérdidas de otros constituyentes en la corriente de aceite.) En la segunda etapa, la pasta prensada se trata con hexano para obtener una corriente de pasta de soya extraída que contiene 0.5% en peso de aceite y una corriente de aceite-hexano. Suponga que no sale hexano en el extracto de soya. Finalmente, en la última etapa se seca el extracto para obtener un producto con 8% en peso de humedad. Calcule:

a) Kilogramos de pasta de soya que salen de la primera etapa. b) Kilogramos de pasta extraída obtenidos en la segunda etapa.c) Kilogramos de pasta seca final y porcentaje en peso de proteína en el

producto seco.Respuesta: a) 8723 kg, b) 8241 kg, c) 7816 kg, 44.8% de proteínas

8. Un material sólido que contiene 15.0 en peso de humedad se seca hasta reducirlo a 7.0% en peso por medio de una corriente de aire caliente mezclada con aire de recirculación del secador. La corriente de aire no recirculado contiene 0.01 kg de agua/kg de aire seco, el aire de recirculación tiene 0.1 kg de agua/kg de aire seco y el aire mezclado contiene 0.03 kg de agua/kg de aire seco. Para una alimentación de 100 kg de sólidos/h al secador, calcule los kilogramos de aire seco/h de aire nuevo, los kilogramos de aire seco/h del aire de recirculación y los kg/h de producto “seco”. Respuesta: 95.6 kg/h de aire seco en el aire nuevo, 27.3 kgIh de aire en el aire de recirculación y 91.4 kg/h de producto “seco”

9. Se desea producir 1000 kg/h de cristales de Na3PO4.12H20 a partir de una solución de alimentación que contiene 5.6% en peso de Na3P04 y trazas de impurezas. La solución se evapora primero en un evaporador hasta obtener una concentración de 35% en peso y después se enfría a 293 K en un cristalizador, de donde se extraen los cristales hidratados y la solución madre. De cada 10 kg de licor madre se pierde 1 kg para eliminar las impurezas y el resto se recircula al evaporador. La solubilidad del Na3P04 a 293 K es 9.91% en peso. Calcule los kg/h de solución de alimentación y los kg/h de agua extraída. Respuesta: 7 771 kg/h de alimentación, 6739 kg/h de agua.

10. En un proceso para concentrar 1000 kg de jugo de naranja recién obtenido, que contiene 12.5% en peso de sólidos, la maceración produce 800 kg de jugo filtrado y 200 kg de pulpa. El jugo filtrado se concentra en un evaporador al vacío para obtener una concentración del 58% de sólidos. Los 200 kg de pulpa se derivan extrayéndolos antes de entrar al evaporador y se mezclan con el jugo evaporado en un mezclador, para mejorar el sabor. Este jugo concentrado final contiene 42% en peso de sólidos. Calcule la concentración de sólidos en el jugo filtrado, los kg de jugo concentrado final y la concentración de sólidos en la pulpa que se deriva. (Sugerencia: Procédase primero a un balance total y después a un balance de sólidos en el proceso total. Después, hágase el balance en el evaporador y, finalmente, el balance en el mezclador.) Respuesta: 34.2% en peso de sólidos en la pulpa.

Semana 5Desarrolle los siguientes ejercicios:

1. Un total de 250 g de CO2 gaseoso a 373 K se calienta a 623 K con una presión total de 101.32 kPa. Calcule la cantidad de calor necesario en cal, Btu y kJ. Respuesta: 15040 cal, 59.8 btu, 62.93 kJ

2. Una mezcla de 25 lb mol de N2 y 75 lb mol de CH4 se calienta de 400 F a 800 F a 1 atm de presión. Calcule la cantidad total de calor necesario en Btu.

3. Una cantidad de 454 kg de puré de manzana a 10 C se calienta en un intercambiador de calor por adición de 121 300 kJ. Calcule la temperatura de salida del producto. (Sugerencia: En el anexo del módulo aparece el valor de la capacidad calorífica del puré de manzana a 32.8 C . Suponga que es constante y úselo como Cpm promedio.)Respuesta: 76.4 C.

4. Por medio de las tablas de vapor, determine la variación de entalpía de 1 lb de agua en cada uno de los casos siguientes:

a) Calentamiento de agua líquida de 40 F a 240 F a 30 lb/pulg2abs. (Adviértase que puede despreciarse el efecto de la presión total del agua líquida sobre la entalpía.)

b) Calentamiento de agua líquida de 40 F a 240 F y vaporización a 240 F y 24.97 Ib/pulg2 abs.

c) Enfriamiento y condensación de vapor saturado a 212 F y 1 atm abs a un líquido a 60 F.

d) Condensación de un vapor saturado a 212 F y 1 atm abs.Respuesta: a) 200.42 btu/lb, b) 1152.7 btu/lb, c) -1122.4 btu/lb, d) -970.3 btu/lb, -2256.9 kJ/kg.

5. En el procesamiento de leche entera de vaca, se enfrían 4540 kg/h de 60 C a 4.44 C por medio de un refrigerante. Calcule el calor extraído de la leche. Respuesta: Calor extraído de la leche = 269.6 kW.

6. Un flujo de 2200 lbm/h de hidrocarburos petrolíferos a 100 F entra a un intercambiador de calor, donde se calienta a 150 F con aire. El aire caliente entra a 300 F y sale a 200 F. Calcule el total de Ibmol de aire/h que se necesita. La capacidad calorífica media del petróleo procesado es 0.45 btu/lb, F. Respuesta: 70.1 Ib mol aire/h 3 1.8 kg mol/h.

7. En un secador se va a usar una corriente de aire que está a 32.2C y que se debe calentar en un calentador de vapor a 65.5 C. El flujo de aire es 1000 kg mol/h. La corriente de vapor entra al calentador saturada y a 148.9C, se condensa, se enfría y sale como líquido a 137.8 C. Calcule la cantidad de vapor usado en kg/h. Respuesta: 452 kg vapor/h

8. Un total de 1500 latas de sopa de patata se someten a un proceso térmico en un esterilizador a 240 F. Las latas se enfrían a 100 F en el mismo esterilizador antes de sacarlas por medio de agua fría, que entra a 75 F y sale a 85 F. Calcule las libras de agua de enfriamiento que se necesitan. Cada lata contiene 1 lb de sopa líquida y la lata metálica vacía pesa 0.16 lb. La capacidad calorífica media de la sopa es 0.94 btu/lbF y la del metal es 0.12 btu/lbF. La cesta metálica que se usa para sostener las latas en la retorta pesa 350 lb y su capacidad calorífica es de 0.12 btu/lb F. Suponga que la cesta metálica se enfría de 240 F a 85 F, que es la temperatura del agua de salida. La cantidad de calor que se pierde por las paredes de la retorta al enfriar de 240 a 100 F es 10000 Btu. Las pérdidas de la retorta por radiación durante el enfriamiento son de 5000 btu. Respuesta: 21320 Ib de agua, 9670 kg.

Semana 6Desarrolle los siguientes ejercicios:

1. Calcule la presión en lb/pulg2 abs y en kN/m2 en el fondo de un tanque esférico que contiene petróleo y cuyo diámetro mide 8.0 pies. La parte superior del tanque está abierta a la atmósfera con una presión de 14.72 lb/pulg2 abs. La densidad del petróleo es 0.922 g/cm2, Respuesta: 17.92 lbf/ pulg2 (psia), 123.5 kN/m2.

2. En el fondo de un tubo de ensayo abierto a 293 K se colocan 12.1 cm de Hg y encima 5.6 cm de agua. Calcule la presión en el fondo del tubo cuando la atmósfera es de 756 mm de Hg. Use la densidad de 13.55 g/cm3 para el agua. Proporcione la respuesta en términos de dina/cm 2, lb/pulgz abs y kNlm2. Vea los factores de conversión en el ANEXO 1 Respuesta: 1.175 x lo6 dina/cm2, 17.0 lb/pulg2 abs, 2.3 lb/pulg2 man 117 kN/m2.

3. Un manómetro abierto en forma de U, se usa para medir la presión absoluta en un recipiente con aire. La presión del otro extremo es la presión atmosférica, 754 mm Hg. El líquido en el manómetro es agua, que tiene una densidad de 1000 kg/m 3. Suponga que la densidad es de 1.30 kg/m3. La diferencia entre los meniscos es de 0.415 m. Calcule Paire en psia y en kPa. Respuesta: Paire = 15.17 psia, 104.6 kPa.

4. Un flujo de leche entera a 293 K con densidad de 1030 kg/m3 y viscosidad de 2.12 cp, pasa a velocidad de 0.605 kg/s por una tubería de vidrio de 63.5 mm de diámetro.

a) Calcule el número de Reynolds. ¿Es turbulento el flujo?b) Calcule la velocidad del flujo en m3/s necesaria para un número de Reynolds

de 2100 y la velocidad en m/s.Respuesta: a) NRe= 5723, flujo turbulento

5. Se está bombeando aceite dentro de una tubería de 10 mm de diámetro con número de Reynolds de 2100. La densidad del aceite es de 855 kg/m3 y su viscosidad es de 2.1 x 10-2 Pa.s.

a) ¿Cuál es la velocidad en la tubería?b) Se desea conservar el mismo numero de Reynolds de 2100 y la misma

velocidad que en el inciso a) usando un segundo fluido con una densidad de 925 kg/m3 1.5 x 10-2 Pa.s. ¿Cuál debe ser el diámetro de la tubería que se use?

Semana 7Desarrolle los siguientes ejercicios:

1. Un hidrocarburo líquido entra en una tubería con una velocidad promedio de 1.282 m/s, donde A1 = 4.33 x 10-3 m2 y 1 = 902 kg /m3. El líquido se calienta en el proceso y la densidad de salida es de 875 kg/m3. El área transversal en el punto 2 es de 5.26 x 10-3 m2. El proceso ocurre en estado estacionario. a) Calcule el flujo másico m a la entrada y a la salida.b) Calcule la velocidad promedio en 2 y la velocidad de masa G en 1.Respuesta: a) m1 = m2 = 5.007 kg/s, b) G1 = 1156 kg/s.m2

2. Un recipiente de almacenamiento bien agitado, contiene 10000 kg de solución de una solución de metanol diluido (WA = 0.05 fracción masa de alcohol). De pronto, se introduce en el tanque un flujo constante de 500 kg/min de agua pura y se empieza a extraer la disolución a una tasa constante de 500 kg/min. Estos dos flujos son continuos y permanecen constantes. Suponiendo que las densidades de las soluciones son iguales y que el contenido total del tanque permanece igual a 10000 kg de solución, calcule el tiempo para que el contenido de alcohol descienda hasta el 1 % en peso.Respuesta: 32.2 mm

3. Se está bombeando agua a 93.3ºC desde un gran tanque de almacenamiento a 1 atm abs, a velocidad de 0.189 m3/min por medio de una bomba. El motor que impulsa a la bomba suministra energía a la velocidad de 1.49 kW. El agua se bombea a través de un intercambiador de calor, donde cede 704 kW de calor y después se vierte a un tanque de almacenamiento abierto situado a una elevación de 15.24 m con respecto al primer tanque. ¿Cuál es la temperatura final del agua que llega al segundo tanque? Además, ¿cuál es la ganancia de entalpía del agua debida a la adición de trabajo? (Sugerencia: Asegúrese de usar las tablas de vapor para la

entalpía del agua. Desprecie los cambios de energía cinética pero incluya los de energía potencial.) Respuesta: T2 = 38.2 ºC, ganancia de trabajo añadido = 0.491 kJ/kg

4. Cierta cantidad de agua líquida a presión de 150 kPa entra a una caldera a 24ºC por una tubería a una velocidad promedio de 3.5 m/s con flujo turbulento. El vapor sale a un altura de 25 m sobre la entrada del líquido a 150ºC y a 150 kPa absolutos, y la velocidad en la línea de salida es de 12.5 rn/s con flujo turbulento. El proceso ocurre en estado estacionario. ¿Cuánto calor debe agregarse por kg de vapor?

5. Un flujo de agua, cuya densidad mide 998 kg/m3, tiene velocidad de 1.676 rn/s en una tubería horizontal de 3.068 pulg de diámetro, a presión P1 de 68.9 kPa abs. Después pasa a otra tubería con diámetro interior de 2.067 pulg.

a) Calcule la nueva presión P2 en la tubería de 2.067 pulg. Suponga que no hay pérdida por fricción.

b) Si la tubería es vertical y el flujo va hacia arriba, calcule la misma presión P2. La presión P2 se mide a 0.457 m por encima de P1. Respuesta: a) P2 = 63.5 kPa; b) P2 = 59.1 kPa

Semana 8Elabore un prototipo (maqueta), de un sistema donde se manipule un fluido y presente los cálculos respectivos.

Semana 9

Elabore un mapa conceptual del capítulo Operaciones con Sólidos.

Semana 10Defina con el docente un tema de exposición entorno a maquinaria y equipo utilizada en las operaciones con sólidos, en el módulo se presentan algunos, pero se pueden complementar y presentar las ecuaciones representativas de cada uno y un ejemplo de aplicación.

Semana 11Desarrolle los siguientes ejercicios:

1. Calcule la pérdida de calor por m2 de área superficial en la pared aislante temporal de un cuarto de almacenamiento en frío, si la temperatura exterior es de 299.9 K y la interior de 276.5 K. La pared está formada por 25.4 mm de corcho prensado con un valor de k de 0.0433 Wlm . K.

2. Se usa un serpentín de enfriamiento de acero inoxidable 304 de 1.0 pie de longitud, con diámetro interno de 0.25 pulg y diámetro externo de 0.40 pulg, para extraer calor de un baño. La temperatura en la superficie interior del tubo es de 40 °F y de 80 °F en el exterior. La conductividad térmica del acero inoxidable 304 depende de la temperatura, deacuerdo a la expresión: k = 7.75 + 7.78 x 1O-3 T donde k se da en btulh . pie . °F y T en °F. Calcule la extracción de calor en btu/s y watts.

3. Se desea construir un almacén refrigerado con una capa interna de 19.1 mm de madera de pino, una capa intermedia de corcho prensado y una capa externa de 50.8 mm de concreto. La temperatura de la pared interior es de -17.8 °C y la de la superficie exterior de 29.4 °C en el concreto. Las conductividades medias son, para el pino, 0.151; para el corcho, 0.0433; y para el concreto 0.762 W/m * K. El área superficial total interna que se debe usar en los cálculos es aproximadamente 39 m2

(omitiendo los efectos de las esquinas y los extremos). ¿Qué espesor de corcho prensado se necesita para mantener la pérdida de calor en 586 W?

4. Un horno rectangular con dimensiones internas de 1.0 x 1.0 X 2.0 m tiene un grosor de pared de 0.20 m. La k de las paredes es 0.95 W/m*K. El interior del horno se conserva a 800 K y el exterior a 350 K. Calcule la pérdida de calor total del horno.

Semanas 12 y 13Haga el análisis de un Proceso Químico Industrial y comente acerca de los mecanismos de transferencia de calor que se presentan, que procesos térmicos y en cada uno de ellos haga el balance de energía, para determinar el consumo energético en cada uno de ellos.

Semana 14Haga un mapa conceptual del capítulo de Difusión.Plantee situaciones de su vida cotidiana, donde se presenten los fenómenos de difusión en gases, líquidos y sólidos, plantee un ejercicio con ellos, haga las suposiciones que crea convenientes y desarróllelos.

Semana 15 y 16A la luz de todos los conceptos manejados durante el curso, haga un análisis global de una Industria aceitera (partiendo de la palma), comente acerca de las operaciones con fluidos, sólidos, de transferencia de calor y de masa que se presentan, tenga en cuenta los mismos tópicos que se tocaron en los Procesos Industriales de aplicación de cada una de las operaciones (generalidades, descripción del producto,….)