Problema de exposicion

Se rectificará en forma continua, una solución de 100 kg/h de un líquido a 25°C que contiene una mezcla 40% en peso de metil cilcohexano y 60 % peso de tolueno para obtener un destilado que contenga 90% de MCH y un residuo que contenga 10% en MCH. La relación de reflujo es 10:1

El condensador utiliza agua que entra a 15°C y sale a 35°C, mientras el hervidor emplea vapor saturado a 138°C. Tanto el condensador como el hervidor operan a una presión de 1 atm.

La temperatura de la corriente del producto que sale del condensador es 50°C, mientras que la temperatura de las corrientes que salen de hervidor es 108°C, La fracción del MCH el el vapor del hervidor es 4% en peso

Determinar a) los kilogramos destilado (D), fondos (B), vapor en domos (V) y reflujo por hora (R)

b) C_p de mezcla en el destilado y fondo

c) ΔH_vap de mezcla en destilado y fondo

d) la transferencia de calor en el condensador e) La transferencia de calor en el hervidor

f) Los kg/h de agua utilizada en el condensador y vapor utilizado en el hervidor

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	Teb °C	Cp cal/ (g mol)(°C)	ΔHvap Kcal/kg
MCH	101.1	49.08	77.3
Tol	110.8	39.43	86.9

La clase es en el salon, no hubo prestamo de sala, el problema lo pueden resolver en grupos de cuatro estduaintes para el Jueves 16 de Junio)

Temperatura y Presión

1.2. Unidades de concentración

Densidad La densidad de una sustancia es su masa por unidad de volumen

d= m/V

De acuerdo con esta ecuación, la unidad SI para la densidad es kg/m³. Sin embargo comunmente se utiliza g/ml para sólidos y liquidos, y en gases g/L por ser muy bajas.

Como el volumen de una masa dada varia con la temperatura, también lo hace la densidad, para evitar confusiones, al reportar la densidad de un sólido o un liquido, debe indicarse la temperatura a la cual se hizo la medición, Si no se especifica la temperatura, se entiende que se trata de densidades a 25°C.

                                      Tabla N°1: Tabla de densidades

	g/cm3		g/cm3
Agua  (4ºC)	1,000	Mercurio (25ºC	13,6
Agua (25ºC)	0,997	Oro (25ºC)	19,3
Etanol (25ºC)	0,785	Hierro (25ºC)	7,86

11) a) Cual es el volumen y  la temperatura final del agua obtenida al mezclar 50 ml de agua a 50ºC, con 50 ml de agua a 30ºC.

b) A 20ºC la densidad de 50 cm³ de una sustancia es 2 g/mL ¿Cuál es la densidad de una muestra de 100 cm³ del mismo metal?

c) A 100 ºC la densidad del mercurio es menor que 13,6 g/cm³. ¿Por qué?

d) A 25°C, en cierta determinación, un picnómetro vacío, con una capacidad de 10,020 cm³, pesó 24,083 g. Cuando el picnómetro se llenó con un líquido su peso fue 31,9487 g. ¿De qué líquido se trata? Explique.

e) La leche cruda entera tiene una densidad comprendida entre 1,030 y 1,033 g/ml. En un laboratorio se midió la densidad de una muestra e leche y se encontró un valor de 1,020 g/ml, lo indica que posiblemente: (le agregaron harina, es leche sin adulterar, le agregaron agua, le agregaron azúcar)

f) Si se tiene un globo con 50 ml de aire y se introduce en una nevera, el volumen del gas: (aumenta, disminuye, no cambia, se duplica)

g) Dos esferas tienen el mismo volumen pero al colocarlas en un recipiente con agua se observa que una flota y la otra se hunde. La razón de este comportamiento se debe a:

h) Dos recipientes llenos con agua, en uno se introduce  un pedazo de hierro de 50 g y en el otro 50 g de oro. ¿El cual se derrama más agua? Explique 

Peso específico se define como la relación entre dos densidades, la de la sustancia en cuestión y la de un material de referencia. Para líquidos y sólidos, el material de referencia es generalmente el agua a 4ºC y para gases el aire aunque también pude utilizarse otros gases

El valor el peso específico tiene sus unidades asociadas, es adimensional, pero su valor no varía al cambiar de un sistema a otro, esto le confiere importancia en el mundo de la ingeniería.

p.e.r = (lb/ft³)_A  =  (g/cm³)_A  = (kg/m³)_A

           (lb/ft³)_B      (g/cm³)_B  = (kg/m³)_B

p,e,r del CCl₄ = 1,5         25ºC

                                     4ºC

Significa que, el peso especifico relativo del tetracloruro de carbono cuando está a 25ºC y la sustancia de referencia el agua está a 4ºC es de 1.5.

12) La densidad de un líquido es de 1500 kg/m³ a 20°C. a) ¿Cuál es el peso específico  20°C / 4°C de este material. b) ¿Qué volumen (ft³) ocupan 140 lb de este material a 20 ° C?

13) a)  Si el dibromopentano DBP tiene un peso especifico relativo de 1.57. ¿Cuál es la densidad en   lb/ ft³?

b)  El caudal volumétrico del tetracloruro de carbono en una tubería es de 50 cm³ / min ¿Cuál es el caudal másico? 

c) El peso especifico del ácido nítrico es 1.513 ¿Cuál es la densidad en kg/ m³?

La fracción molar es simplemente la cantidad de moles de una sustancia especifica dividido entre el número total de moles presentes.

Fracción molar de A =  moles de A              

                                  Moles totales

X_A = n_A/n_T

ΣX = 1

Se supondrá que la composición de los gases se da en porcentaje o  fracción molar, a menos que se indique específicamente otra cosa

Los análisis de líquidos y sólidos por lo regular se dan en porcentaje o fracción en masa (peso), aunque ocasionalmente se indican en porcentaje molar.

Fracción en masa: (o peso) no es más que la masa (el  peso) de de la sustancia dividida entre la masa (o peso) total de todas las sustancias presentes.

      Fracción en masa de A = masa de A

                                            masa total

ω_A = m_A/m_t

Σω = 1

El porcentaje molar y el porcentaje en peso son las fracciones respectivas multiplicadas por 100.

    

Ejemplo: a menudo usaremos como composición del aire 21% de O₂ y 79% de N₂; el N₂ incluye el Ar y los demás componentes, y tiene un seudopeso molecular de 28,2

	X	g/mol	g	ω
O2	0,21	32	6,72	0,2317
N2	0,79	28,2	22,278	0,7683
Total	1,00		29,00	1,00

El peso molecular medio es 29,00 g/ gmol; o 29,00 lb/ lb mol ; o 29,00 kg/ kg mol.

14) El ácido fosfórico es un ácido incoloro utilizado en la fabricación de fertilizantes y como agente saborizante en las bebidas. Para una determinada solución al 10% en peso de ácido fosfórico el peso específico es 1.10 determinar:

a)  la  fracción molar de esta mezcla.

b). el volumen (en galones) de esta solución que contenga 1 g mol de H₃PO₄.

15) a) Una mezcla líquida de n-butano, n-pentano y n-hexano tiene la siguiente composición porcentual: n - C₄H₁₀  50 ; n - C₅H₁₂  30 y  n - C₆H₁₄  20. Para esta mezcla determine: la fracción en masa de cada componente, la fracción molar de cada componente, el porcentaje molar de cada componente y el peso molecular medio.

b) Una mezcla de gases es analizada y se comprobó que tienen la siguiente composición CO₂ 12.0%   CO 6.0%  CH₄ 27.3%   H₂ 9.9%    N₂ 44.8%

¿Cuántas lb representan  3 lb mole de de esta  mezcla de gases?

c) Un recipiente contiene 1,704 lb HNO₃/ Lb H₂O y tiene una densidad relativa de 1,382 a 20ºC determine: porcentaje en peso de HNO₃; lb de HNO₃ por pie cúbico de disolución a 20ºC. 

1.3  Escalas de temperatura

La temperatura es una medida de la energía térmica del movimiento aleatorio de las moléculas de una sustancia en equilibrio térmico.

La temperatura de un cuerpo es una medida de su estado térmico considerado como una capacidad para transferir calor a otros cuerpos. (Maxwell).

Escala Fahrenheit: Escala de temperatura, todavía empleada en los países anglosajones, fue diseñada por el físico alemán Gabriel Daniel Fahrenheit. Según esta escala, a la presión atmosférica normal, el punto de solidificación del agua (y de fusión del hielo) es de 32 °F, y su punto de ebullición es de 212 °F.

La escala centígrada o Celsius, ideada por el astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada en casi todo el mundo, asigna un valor de 0 °C al punto de congelación del agua y de 100 °C a su punto de ebullición.

Una diferencia de 5 grados centígrada es una diferencia de 9 grados en la escala Fahrenheit.:

                        9 Δ ºF = 5 Δ ºC                                

                       ºF = 9/5ºC  +  32

          

Tanto la escala Fahrenheit como la Celsius son escalas relativas de temperatura, es decir, los puntos de valor cero han sido elegidos arbitrariamente.

Las escalas de temperatura absoluta tienen su punto cero en la temperatura más baja posible que creemos que puede existir.  Esta temperatura mínima se relaciona tanto con las leyes de los gases ideales como las leyes de la termodinámica. En ciencia, la escala más empleada es la escala absoluta o Kelvin, inventada por el matemático y físico británico William Thomson, lord Kelvin. En esta escala, el cero absoluto, que está situado en –273,15  °C, corresponde a 0 K, y una diferencia de un kelvin equivale a una diferencia de un grado en la escala centígrada.

1 Δ K = 1 Δ ºC                                 

                         K = ºC + 273                                 

La escala absoluta correspondiente a la escala en grados Fahrenheit se llama escala Rankine en honor a un ingeniero escocés. En la escala Ranking podemos redondear –459.58 a –460.

                           1 ΔºR = 1 Δ ºF                               

                            ºR = ºF + 460                               

                         1 ΔK = 1.8 Δ ºR                               

16) a) ¿Por qué las escalas Fahrenheit y Celsius son escalas relativas de temperatura?

b) Complete la siguiente tabla de conversión de temperaturas.

° C             ° F                K               ° R

- 40.0      ----------      ------------      -----------

----------      77.0        ------------      -----------

----------   ----------          698           -----------

----------   ----------      ------------          69.8

c) La capacidad calorífica del azufre es c_p = 15.2 + 2.68 T, donde c_p está en J/(g mol)(K) y T está en K. convierta c_p a cal/(g mol)(ºF), con T en ºF.

d) El mercurio único metal líquido a temperatura ambiente funde a –38ºC, en grados kelvin es:

e). A que temperatura se igualan la escala centígrada y la Fahrenheit. 

f) El sodio metal tiene un rango líquido muy amplio, funde a 98 ºC y hierve a 892 ºC. Exprese el rango líquido en ºC, K y ºF 

g) ¿A qué temperatura debe calentarse un baño, para que al medirla con un termómetro Fahrenheit se obtenga una lectura tres veces mayor que la que se obtendría con un termómetro centígrado?

Nota: Las presiones, al igual que las temperaturas, se pueden expresar en escalas tanto absolutas como relativas. El hecho de que un dispositivo para medir la presión mida la presión absoluta o relativa depende de la naturaleza del instrumento medidor.

Por ejemplo, un manómetro de extremo abierto medirá una presión relativa (presión manométrica), ya que la referencia es la presión de la atmosfera sobre el extremo abierto del manómetro,

  

17)  La diferencia de presión entre dos tanques de aire A y B se mide por un U – tubo manómetro, con mercurio como líquido manométrico. La presión barométrica es de 700 mm Hg.

a) ¿Cuál es la presión absoluta en el tanque de A?

b) ¿Cuál es la presión manométrica en el tanque A?

c) Examine la figura siguiente

El barómetro indica 740 mm Hg. Calcular la presión del tanque en psia,

d) En cuál de las ciudades será menor la temperatura del aire atmosférico. Explique

(Continuación Introducción a los calculos de Ingenieria)

PROBLEMAS PROPUESTOS

1). Efectúe las siguientes operaciones

a) 10 libras + 300 gramos         b) 3 pie + 4 segundos         c) 1 hp + 300 watts     

d) 15 manzanas + 13 naranjas

2) Convierta las siguientes cantidades a las unidades designadas:

a)  42 ft²/h a cm²/s                     b) 80 lbf a N                          c) 20 gal/h a m³/s          

d) 1 g/ml a lb/ft³                         e) 50 lbf/pulg² a N/m²           

(1 m = 3.2808 ft; 1 gal = 3.785 L; 1m³ = 1000 L; 1 cm³ = 1 ml; 1 ft = 30.48 cm;

1ft = 12 pulg; 1 L = 1 dm³)

3)  El nitrato de plata es una sal blanca cristalina, utilizada en la industria de las tintas, la medicina y análisis químico. ¿Cuántos kilos de nitrato de plata (AgNO₃) hay en: 

   a) 13.0 lb mol AgNO₃           b) 55.0 g mol AgNO₃

¿Determine el número de lb mol de nitrato de plata en?

  c)  50 g mol de AgNO₃.      d) 150 kg de AgNO₃.         e) 100 lb de AgNO₃.

f) En 2 lb de AgNO₃ ¿cuántos gramos mol contiene?

g) ¿Cuántas libras de AgNO₃ hay en 7.5 g mol de AgNO₃?

4)  De acuerdo con la legislación ambiental el nivel máximo de contaminación para antimonio y el níquel se ha fijado en 0,006 mg / L y 0,1 mg / L, respectivamente en el agua potable.  Un análisis de laboratorio del agua potable del hogar muestra el antimonio con una concentración de 4 ppb (partes por billón) y la de níquel de 60 ppb. Determinar si el agua potable es segura con respecto a los niveles de antimonio y níquel. Suponga que la densidad del agua a 1.00 g/cm³

5) Las aflatoxinas son ciertas sustancias tóxicas producidas por varias especies de hongos, tales como Aspergillus flavus, Aspergillus parasiticum, Penicillium y otros, que atacan principalmente los granos (maíz, fríjol, arroz…) y concentrados para animales. Dichas toxinas también se presentan en la leche cuando las vacas han sido alimentadas por concentrados contaminados por tale hongos. Las aflatoxinas son sumamente peligrosas ya producen cáncer en el hígado; aún contenidos tan sumamente bajos, 10 ppb, representan un serio riesgo para la salud humana.

El análisis de cierta muestra de 500 g de maíz amarillo dio como resultado un contenido de 0,02 mg de aflatoxinas. ¿Cuál es la concentración en ppb?

6) El análisis de cierta muestra de pescado de 800 g se encontró que contenía 2,2 mg de Hg ¿Cuál será contenido de mercurio en ppm?

7) Por análisis químico se encontró que una muestra de un kilogramo de agua de un río, contenía 10 mg de Hg. Un pez de este río tenía 0,427 ppm de Hg a) ¿Cuál era la fracción en masa de Hg en ppm en el agua del río?   b) Una persona, al comer dos libras de este pescado contaminado, ¿qué masa de Hg ingiere?

8) Calcular la DBO de un abasto de agua que contiene 1 gramo de urea de la orina por 100 litros de agua y suponer que la reacción entre la urea y el oxigeno es:

CO(NH₂)_2(ac)   +     4O_2(ac)  --------->   CO_2(ac)     +      2HNO_3(ac)   +   H₂O

9) El análisis de cianuro se realiza por métodos estándar, se utiliza cloruro de mercúrico para descomponer los cianuros complejos  utilizando 200 mg en cada análisis. Las normas establecidas de calidad del agua limitan el mercurio (como Hg) en 0.0005 ppm en cualquier efluente. Los permisionarios deben presentar informes diarios de sus efluentes. ¿Violará la norma citada un permisionario que descarga 100000 gal/día y realiza un análisis?

10) Clasifique las siguientes variables como intensa o extensa. a) la temperatura b) Capacidad de calor específico c) la densidad d) el índice de refracción e) la masa f) volumen especifico g) presión  h) volumen