Densidad y volumen específico
La densidad es la razón de la masa por unidad de volumen, se utiliza kg/m3, aunque es muy común encontrar densidades en lb/ft3. La densidad de sólidos y líquidos no cambia con cambios de presión, sin embargo, con la temperatura sí hay variaciones significativas. Para agua, la densidad a 4 °C es 1000 kg/m3, a 25 °C la densidad es 997 kg/m3, a –5 °C la densidad del agua sólida es 917 kg/m3. La densidad del agua sólida es menor que la densidad del agua líquida, por esta razón el hielo flota. La densidad de una mezcla depende de la temperatura y además de la composición, por ejemplo, la densidad de una disolución al 80% de alcohol etílico es 830 kg/m3 a 40°C. El volumen específico es el inverso de la densidad.
Gravedad específica o peso específico relativo
Es una propiedad relacionada directamente con la densidad. La gravedad específica S de una sustancia, es la relación de su densidad a la del agua destilada a 4°C. Puesto que la gravedad específica es una relación de densidades, se trata de una cantidad adimensional. La temperatura, presión y naturaleza de la sustancia son variables que afectan la gravedad específica. En general, las mediciones industriales de la gravedad específica son realizadas para determinar la naturaleza de los líquidos y condiciones tales como el porcentaje de suspensión o el grado de disolución y concentración. En términos generales, podemos decir que no existen unas unidades de gravedad específica especiales. Sin embargo, hay ciertas unidades que han sido seleccionadas arbitrariamente por su conveniencia para algunas industrias en particular. Por ejemplo, en la industria petrolera la gravedad específica de los productos de petróleo suele informarse en términos de una escala de hidrómetro llamada °API. La ecuación de la escala API es:
_ EMBED Equation.3 ___ Ec. _ STYLEREF 1 s _2___ SEQ Ec. * ARABIC s 1 _13_
También es común escuchar el término grados Brix, °Bx, para reportar la gravedad específica (o mejor la concentración de sólidos disueltos) en la industria azucarera. También en la industria se utilizan los grados Beaumé, los grados Richter, etc.
Como en la industria generalmente se manejan soluciones, es importante conocer las diversas formas de expresar la composición de las corrientes. Para efectuar los balances de materia es indispensable conocer la composición porcentual de las corrientes además del flujo total.
Porcentaje en peso o fracción másica
Es la relación entre el peso del componente i (mi) sobre el peso total de la solución(mT). Es la mejor forma de expresar la composición para efectuar balances de materia.
_ EMBED Equation.3 ___ Ec. _ STYLEREF 1 s _2___ SEQ Ec. * ARABIC s 1 _14_
Porcentaje en volumen
Es la relación entre el peso del componente i sobre el volumen total de la solución (VT).
_ EMBED Equation.3 ___ Ec. _ STYLEREF 1 s _2___ SEQ Ec. * ARABIC s 1 _15_
Porcentaje en volumen
Es la relación entre el volumen del componente i (Vi)sobre el volumen total de la solución. Esta se emplea para indicar por ejemplo, el contenido de alcohol en los licores.
_ EMBED Equation.3 ___ Ec. _ STYLEREF 1 s _2___ SEQ Ec. * ARABIC s 1 _16_
Composición y fracción molar
Las plantas químicas donde hay reactores usan comúnmente la cantidad de sustancia para expresar la composición. También muchos reportes de laboratorio usan cantidades molares. La fracción molar se refiere a las moles de componente i (ni) sobre las moles totales de solución (o de la corriente), nT.
_ EMBED Equation.3 ___ Ec. _ STYLEREF 1 s _2___ SEQ Ec. * ARABIC s 1 _17_
Cuando la composición se expresa en porcentajes, se conoce como porcentaje molar o composición molar.
Se refiere a las moles de soluto sobre el volumen total de la solución. Una solución uno molar, 1M, indica que contiene un mol de soluto en un litro de solución.
_ EMBED Equation.3 ___ Ec. _ STYLEREF 1 s _2___ SEQ Ec. * ARABIC s 1 _18_
Partes por millón
Una ppm corresponde a una masa de un mg de soluto en 1 kg de solución. Se utiliza cuando el soluto está en muy baja proporción. Se utiliza mucho para contaminantes que se analizan en una corriente de aire. También se utiliza comúnmente las partes por billón.
Flujo másico
Indica la cantidad de masa que circula por una unidad de tiempo.
_ EMBED Equation.3 ___ Ec. _ STYLEREF 1 s _2___ SEQ Ec. * ARABIC s 1 _19_
Flujo volumétrico o Caudal
Representa la magnitud del volumen que pasa por un sitio dado por unidad de tiempo.
_ EMBED Equation.3 ___=A*V Ec. _ STYLEREF 1 s _2___ SEQ Ec. * ARABIC s 1 _20_
donde V es el volumen, t es el tiempo, A es el área transversal y V es la velocidad del flujo en m/s.
El caudal se puede convertir en flujo másico utilizando la densidad de la corriente, mediante
_ EMBED Equation.3 ___ Ec. _ STYLEREF 1 s _2___ SEQ Ec. * ARABIC s 1 _21_
Ejemplo 5:Una mezcla de gases de combustión presenta la siguiente composición en base molar: 10% CO2, 2% CO, 75% N2, 9% O2, 4% H2O. Calcule la composición molar y el peso molecular promedio.
Solución:
Se puede elegir una base de cálculo de 100 kmol/s de gas de combustión. Así, se calculan las cantidades molares y másicas de cada componente del gas para obtener finalmente la composición molar, como se muestra en la siguiente Tabla.
Tabla _ STYLEREF 1 s _2___ SEQ Tabla * ARABIC s 1 _6_ Cálculo de los flujos molar y másico para el ejemplo 5.
Compuesto Flujo molar (kmol/s) Peso molecular (kg/kgmol) Flujo másico (kg/s) Fracción másica (%) CO2 10 44 440 14.88 CO 2 28 56 1.89 N2 75 28 2100 71.04 O2 9 32 288 9.74 H2O 4 18 72 2.44 TOTAL 100 – 2956 100
El peso molecular se define como la cantidad de masa por unidad molar, así
_ EMBED Equation.3 ___
que será el peso molecular de la mezcla.
Ejemplo 6: El peso específico relativo de una disolución de KOH a 15°C es 1.0824 y contiene 0.813 lb de KOH por galón de disolución. ¿Cuál es la fracción molar de KOH en la disolución?
Solución:
Base de cálculo: 1 galón de disolución (3 785 mL)
Masa total: _ EMBED Equation.3 ___
Masa de KOH: _ EMBED Equation.3 ___
Masa de agua: 4096.88-368.78 = 3728.10 g
Fracción molar de KOH: _ EMBED Equation.3 ___
Ejercicios
Un cantinero asegura que su marca de ron es tan fuerte que los cubos de hielo no flotan en él. ¿Es esto posible?
Una mezcla de gases de tres componentes: Argón, B y C. Se obtiene el siguiente análisis de la mezcla: 35 % en base molar de Argón, 19 % en base másica de B, 30 % en base molar de C. El peso molecular del Argón es 40 y el de C es 50. Calcule el peso molecular de B y el peso molecular promedio de la mezcla.
El aceite de semilla de algodón tiene un peso específico relativo de 0.926, cuánta es la cantidad máxima (en kg) que se puede transportar en un recipiente de 55 galones? ¿Cuántos recipientes tendría que llenar para transportar 10 000 kg de aceite de semilla de algodón?
Dos estudiantes de ingeniería están calculando el peso molecular promedio de una mezcla que contiene oxígeno y otros gases. Uno de ellos usa un peso molecular de 32 para el oxígeno y determina que el peso molecular promedio de la mezcla es 39.2. El otro usa un peso molecular de 16 (incorrecto, lógicamente) y determina que el peso molecular promedio de la mezcla es 32.8. Este es el único error en sus cálculos. ¿Qué porcentaje molar de oxígeno tiene la mezcla?
La relación de Nusselt para predecir el coeficiente de transferencia de calor entre un vapor saturado y una superficie más fría es:
_ EMBED Equation.3 ___
donde h es el coeficiente medio de transferencia de calor en BTU/(h(ft2°F), k es la conductividad térmica de la superficie en BTU/(h(ft°F), ( es la densidad en lb/ft3, g es la aceleración de la gravedad, 4.17*108 ft/h2, ( es el cambio de entalpía en BTU/lb, L es una longitud característica en ft, ( es la viscosidad en lb/h(ft y (T es una diferencia de temperaturas en °F. Cuáles son las unidades de la constante 0.943. Construya una expresión para calcular el coeficiente de transferencia de calor en unidades SI, al reemplazar cada propiedad de la ecuaciónen unidades SI.
Los sedimentos portuarios en el área de New Bedford, Massachusetts contienen PCB en niveles de hasta 190 000 ppm. ¿Cuál es el porcentaje en masa de los PCB en dichos sedimentos?
Una publicación técnica describe un modelo de un motor de 20 HP que impulsa un generador de 68 kW. ¿Es esto posible?
El análisis (másico) de un tanque que contiene 100 kg de gas a presión constante es: CO 19.3%, N2 72.1%, O2 6.5 %, H2O 2.1%. ¿Cuál es el peso molecular promedio del gas? ¿Cuál es la dimensión del tanque si se quiere almacenar dicho gas a la temperatura ambiente y a 50 MPa? Use la ecuación del gas ideal y la corrección por el factor de compresibilidad. Calcule el factor de compresibilidad de la mezcla usando una temperatura crítica de mezcla calculada como el promedio ponderado molar de las temperaturas críticas de cada componente. Calcule la presión crítica de la mezcla de la misma manera que lo hizo para la temperatura crítica de la mezcla.
¿Cual es el volumen molar real de metano a 10 MPa y 500 °C?
Calcule la temperatura de ebullición a 1 atm y a 1.5 atm para tetracloruro de carbono, CCl4, utilizando la ecuación de Antoine.
Calcular la temperatura de ebullición a 650 mmHg para ciclohexano.
Calcular la presión de vapor a 60°C para acetona. Según su resultado ¿Cuál es la fase de la acetona a 60 °C y 100 kPa?
Obtenga las constantes de la ecuación de Antoine para ácido acético, de tal manera que se pueda reemplazar la temperatura en Kelvin, para obtener la presión de vapor en Kilopascales.
Una disolución acuosa 5 M de un soluto cuyo peso molecular es 105, tiene una gravedad específica de 0.94. Calcule la composición másica del soluto en la disolución.
El volumen de un depósito grande de forma irregular se determinó de la siguiente manera: Primero se hizo vacío en el depósito y después se conectó una botella de gases de 50 L conteniendo nitrógeno a 2100 kPa. La presión del gas en la botella se redujo a 150 kPa después de conectarlo al depósito. Calcule el volumen del depósito.
Usted prepara un coctel mezclando 25 mL de una bebida alcohólica con etanol al 25%, con 35 mL de otra bebida alcohólica con etanol al 43%. Cuál es la composición alcohólica del coctel que preparó. Suponga que la densidad relativa en las bebidas es 0.93.
Un gas se recoge sobre agua cuando la presión barométrica es de 756 mm Hg, pero el nivel del agua dentro del recipiente de gas es 4.5 cm más alto que fuera. ¿Cuál es la presión total del gas dentro del recipiente en mm Hg?
Un manómetro conectado en una tubería del condensador de una turbina indica 27 pulgadas de mercurio de vacío. La lectura del barómetro es 630 mm Hg. ¿Cuál es la presión absoluta en kPa?
Usted debe diseñar un tanque de acero en el que se almacenará CO2 a 293 K. El tanque tiene un volumen de 10 m3 y se desean almacenar 460 kg de CO2 en él. ¿Qué presión real ejercerá el CO2?
La capacidad calorífica suele darse en términos de funciones polinómicas de la temperatura. Para el CO2 se encontró en el apéndice de un libro que
Cp = 8.4448 + 0.5757×10-2 *T – 0.2159×10-5*T2 + 0.3059×10-9*T3
Donde T está en °F y Cp en BTU/lbmol°F. Usted debe convertir a raíz de las determinaciones de la IUPAC, esta ecuación de forma tal que pueda reemplazar T en °C para obtener Cp en J/mol K.
Enviado por:
Ing.+Lic. Yunior Andrés Castillo S.
"NO A LA CULTURA DEL SECRETO, SI A LA LIBERTAD DE INFORMACION"®
www.monografias.com/usuario/perfiles/ing_lic_yunior_andra_s_castillo_s/monografias
Santiago de los Caballeros,
República Dominicana,
2015.
"DIOS, JUAN PABLO DUARTE Y JUAN BOSCH – POR SIEMPRE"®
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