Universidad Católica Santo

Toribio de Mogrovejo

Facultad de IngenieríaESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

Variables de Proceso

Autores:

Cacho Abanto, Nelly Carolina

Coronado Chávez, Michael

Huacchillo Domínguez, Luis

Huangal Ugás, Daniel

Pisfil Romero, Sebastian

Yarlaqué Urraca, Miguel Ángel

Informe para la asignatura de Operaciones y Procesos

Unitarios

Chiclayo, 17 de Septiembre de 2014

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PRÁCTICA Nº 01: VARIABLES DE PROCESO

I. INTRODUCCIÓN

En las etapas que involucra un proceso industrial se tendrán ingresos y salidas de corrientes así como parámetros de operación de estas actividades. Por tanto, es necesario conocer, medir o calcular las cantidades, composiciones, concentraciones y condiciones de dichas corrientes o de las variables de proceso de la operación en sí, además de especificar y calcular dicha información para el diseño de procesos.

En esta práctica aplicaremos métodos que nos permitirán medir y calcular algunas de las variables que caracterizan la operación de una etapa del proceso.

La primera variable a tratar será la densidad. Todo producto terminado, de cualquier clase, tiene su densidad o su peso específico el cual lo distingue de cualquier otro. La densidad por ejemplo de la leche entera será muy distinta a la de la leche descremada. El cálculo de densidades también es necesaria para el diseño de tuberías y cálculo de potencias necesarias para que una bomba o motor por ejemplo permita el correcto transporte de la sustancias a lo largo del proceso.

La segunda variable es concentración. Conocer dicha propiedad ha permitido el desarrollo de las grandes industrias. Gracias a esta propiedad se puede establecer cantidades de soluto y solvente presente en una solución para determinados fines. Un ejemplo claro que es en la industria de las bebidas gaseosas, donde los ingenieros miden diferentes cantidades de edulcorantes, cafeína, entre otros con el propósito de que sean refrescantes, gratas al paladar y comercialmente rentables.

La tercera variable es la temperatura. Es una de las variables más difíciles de medir en cualquier industria y es necesaria para identificar posibles problemas en un proceso, realizar mantenimiento preventivo y controlar a la vez diferentes variables como las descritas anteriormente.

El objetivo principal de la práctica es determinar dichas variables mediante el uso de determinados instrumentos como el aerómetro y el refractómetro. Se busca también, conocer los principios de funcionamiento de los equipos utilizados (matraces, pipetas graduados, termómetros) y por supuesto de aplicar los diferentes conceptos teóricos adquiridos a la práctica realizada en el laboratorio.

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ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS

II. MARCO TEÓRICO

2.1 VOLUMEN

El volumen es una magnitud escalar definida como la extensión en tres

dimensiones de una región del espacio. Es una magnitud derivada de

la longitud, ya que se halla multiplicando la longitud, el ancho y la altura.

La unidad de medida de volumen en el Sistema Internacional de Unidades es

el metro cúbico. Se puede medir con los siguientes instrumentos como la

probeta graduada, jeringa y vaso de precipitación.

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2.2 MASA

Es una propiedad intrínseca de los cuerpos. En física, la masa es una medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo. Esta propiedad determina la medida de la masa inercial y de la masa gravitacional. La unidad utilizada para medir la masa en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el kilogramo. Es una magnitud escalar.

No debe confundirse con el peso que es una magnitud vectorial que representa una fuerza. Tampoco debe confundirse con la cantidad de sustancia cuya unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el mol.

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2.3 TEMPERATURA.

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio

o frío que puede ser medida con un termómetro. En física, se define como

una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema

termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica.

Sus unidades relativas son Celsius y Fahrenheit. Unidades internacionales son

kelvin y la unidad anglosajona son Rankine. Los instrumentos más usados para

medir temperaturas son el termómetro, pirómetro.

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2.4 DENSIDAD.

La densidad es una magnitud vectorial referida a la cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia. La densidad media es la razón entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.

D=m/v

Si un cuerpo no tiene una distribución uniforme de la masa en todos sus puntos puede diferir de la densidad media. Existen diferentes instrumentos para medir la densidad tales como el densímetro automático, picnómetro, balanza hidrostática, balanza de Mohr, etc.

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2.5 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

2.5.1. AEROMETRO

Consiste en un flotador dotado de un vástago graduado cuya inmersión en el líquido varía con la densidad del mismo. Se basa en el principio de Arquímedes y consiste en un flotador graduado que, cuanto menor es la densidad o concentración, más se sumerge.

Su procedimiento consiste en cuatro pasos:

1. Colocar la probeta en una posición completamente vertical y en un lugar libre de corrientes de aire. 

2. Verter en la probeta la muestra a analizar, cuidando de no salpicar para evitar la formación de burbujas. 

3. Introducir el aerómetro en la probeta y permitir que descanse libremente en la muestra. 

4. Cuando el aerómetro haya quedado inmóvil y flotando libremente efectuar la lectura. La lectura correcta se efectúa en el punto de la escala en donde la superficie del líquido la corta.

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2.5.2 REFRACTOMETRO

Se denomina refractometría, al método óptico de determinar la velocidad de propagación de la luz en un medio, compuesto, substancia, cuerpo, la cual se relaciona directamente con la densidad de este medio. Para emplear este principio se utiliza la refracción de la luz (la cual es una propiedad física fundamental de cualquier sustancia), y la escala de medición de este principio se llama índice de refracción.

Los refractómetros son los instrumentos que emplean este principio de refracción ya sea el de refracción, (empleando varios prismas), o el de ángulo crítico, (empleando solo un prisma), y su escala primaria de medición es el índice de refracción, a partir de la cual se construyen las diferentes escalas específicas, Brix (azúcar), Densidad Específica, % sal, etc. Los refractómetros se utilizan para medir en líquidos, sólidos y gases, como vidrios o gemas.

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III. METODOLOGÍA.

3.1 Determinación de densidad mediante la medición de masa y volumen.

Para determinar la densidad, en este caso hemos utilizado dos variables: masa y volumen.

Usamos dos matraces del mismo volumen (100 ml) para cada sustancia a analizar: agua de la red, aguardiente y jugo de la marca PULP. Como inicio de la práctica, se procedió a pesar cada fiola o matraz aforado en la balanza de precisión para hallar la masa correspondiente de cada uno. El peso de la fiola 1 fue de 56.1g y la de la fiola 2 y 3 fue de 56.8g. (La fiola 2 y 3 fue la misma, ya que solo nos abastecieron con dos de estas). Recordar que la fiola o matraz aforado fue pesado con su respectiva tapa.

Una vez pesados se llenaron hasta el aforo con una porción de cada muestra. Se usó aguardiente para la fiola 1, agua de la red para la fiola 2 y jugo Pulp para la fiola 3. Luego de ello simplemente se volvieron a pesar los matraces aforados ya abastecidos con cada muestra en la balanza de precisión. El nuevo peso de la fiola 1 fue de 148.3g, el de fiola 2 fue de 152.8 y por último el de la fiola 3 fue de 156.6g. Recordar que cada fiola fue pesada en las mismas condiciones (misma balanza y con tapa). Resaltar también que se midió la temperatura de cada matraz aforado abastecido con la muestra de aguardiente, agua de red y jugo para la fiola 1, 2 y 3 respectivamente.

Las etapas anteriores se repitieron dos veces más para incentivar la participación de cada integrante del equipo y claro está para obtener más datos y reducir la incertidumbre de los resultados.

Finalmente, se restó la masa final con la inicial para obtener así la verdadera masa de la porción de muestra abastecida en la fiola de 100ml. Con el volumen ya establecido y la masa hallada solo quedar hacer el cálculo de Masa/Volumen para hallar la densidad de cada sustancia. Al ser tres repeticiones se obtuvieron tres resultados distintos; para obtener la densidad final simplemente se realizó el cálculo del promedio de los tres. Las unidades correspondientes a la densidad hallada están expresadas en g/ml o g/cm3.

Equipos y material usado: Balanza de precisión, 02 fiolas de 100 ml, 01 termómetro y vaso de precipitación para almacenar previamente cada muestra. Las muestras traídas por el equipo fueron de 500 ml de aguardiente y 330 ml de jugo de la marca Pulp.

3.2 Uso de areómetro

El objetivo de este procedimiento es determinar la densidad de tres muestras utilizando un instrumento de medición llamado areómetro. La unidad de este instrumento es el ºBé (grado Baumé). Una vez medido los grados Baumé de cada muestra se realizará una relación distinta para cada muestra, esta dependerá si la densidad de la muestra es mayor o menor a la del agua.

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Las muestras que utilizaremos son néctar de durazno, agua ardiente de caña de azúcar y una solución de sal al 20%. Para esta última solución se prepararán 250 mL.

Preparación de la solución de sal al 20% m/v: Su preparación consistió en realizar simples cálculos. Pesamos 50g de sal y lo colocamos en un vaso de precipitación que contenga 200 ml de agua. Después procedimos a agitar hasta disolver completamente y así fue como obtuvimos 250 ml de solución de sal de mesa al 20%. Para comprobar si el volumen obtenido fue el correcto, se pasó la solución a la fiola de 250ml y, efectivamente, llegó hasta el aforo.

Una vez que tuvimos cada muestra lista y debidamente preparada, las colocamos en probetas distintas con el fin de poder introducir el areómetro. Al momento de colocar dicho instrumento se tomó en cuenta que este no debe tocar las paredes de la probeta y la muestra a evaluar debe llegar al tope de la probeta. Luego simplemente se procedió a leer la división correspondiente del areómetro a la superficie libre del líquido.

Para la toma de datos del aguardiente el el areómetro no marcó ninguna medición ya que esta muestra presenta una densidad menor a la del agua. Dada esta situación se midió con un areómetro especial en donde medimos el grado alcohólico (GL).

Finalmente, medimos la variable de temperatura para cada muestra proporcionada.

Recordar además que fue necesario lavar y secar bien (con un papel toalla) el areómetro, antes de introducirlo en otro líquido.

Para determinar las densidades relativas correspondientes a las muestras cuya densidad fue mayor a la del agua se utilizó la fórmula:

Y para las muestras cuya densidad fue menor a la del agua se utilizó la fórmula:

Equipos y material usado: Tres probetas graduadas, areómetros en grados Baumé y Gay Lussac, fiola de 250 ml, vaso de precipitación de 500 ml, varilla de agitación, agua de la red, sal de mesa, jugo de la marca Pulp y aguardiente de caña.

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3.3 Uso de refractómetro

Para conocer el funcionamiento de los refractómetros realizamos dos diferentes actividades.

3.3.1 Primera actividad

El objetivo de la primera actividad es medir los grados Brix y los grados Baumé de una muestra de solución de acuosa de sacarosa a diferentes concentraciones. El peso de la solución a preparar fue de 150g.

Para el 5% de concentración de sacarosa simplemente pesamos (0.05g)(150g)= 7.5g de sacarosa y lo colocamos en un vaso de precipitación con 142.5 g de agua correctamente pesada. Agitamos hasta disolver completamente.

Para el 15% de concentración de sacarosa simplemente pesamos (0.15g)(150g)= 22.5g de sacarosa y lo colocamos en un vaso de precipitación con 127.5 g de agua correctamente pesada. Agitamos hasta disolver completamente.

Para el 25% de concentración de sacarosa simplemente pesamos (0.25g)(150g)= 37.5g de sacarosa y lo colocamos en un vaso de precipitación con 112.5 g de agua correctamente pesada. Agitamos hasta disolver completamente.

Por último, para el 35% de concentración de sacarosa simplemente pesamos (0.35g)(150g)= 52.5g de sacarosa y lo colocamos en un vaso de precipitación con 97.5 g de agua correctamente pesada. Agitamos hasta disolver completamente.

Una vez obtenidas las cuatros muestras con las diferentes concentraciones, procedemos a colocarlas en cuatro probetas graduadas, una para cada una, con el fin de poder medir los grados Baumé con la ayuda del areómetro. Tomamos notas de dichos resultados.

Luego medimos los grados Brix. Para ello colocamos una o dos gotas de la muestra sobre el prisma del refractómetro. Cerramos suavemente la lámina que impide la entrada de luz y luego miramos la escala a través del lente. Tomamos datos.

Equipos y materiales usados: Balanza de precisión, vasos de precipitación, varilla de agitación, espátula, probeta, areómetro, refractómetro, agitador, miel, agua de la red y azúcar

3.3.2 Segunda actividad

El objetivo de este procedimiento es el de elaborar una solución de 22º Brix a partir de miel de abeja.

Utilizando un método conocido como Cruz de Cobenze que consiste en realizar una serie de cálculos para obtener, mediante un balance de materia, una solución con la concentración de azúcar requerido (en este caso 22º Brix).

El primer paso a realizar es medir los grados Brix de la miel de abeja utilizando el refractómetro. Se coloca una muestra miel de abeja en el prisma de este instrumento para luego ser colocado a contraluz y poder observar el grado de azúcar que contenga este insumo. Utilizando la escala número tres, se observa que la miel utilizada en este proceso posee 81.2 ºBrix.

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Ahora que conocemos el grado de azúcar presente en la miel de abeja, lo siguiente a hallar es qué cantidades tanto de agua como de miel se utilizarán para poder elaborar la solución de 22º Brix. Para esto utilizaremos la mencionada Cruz de Cobenze. Con este método conoceremos el porcentaje de miel necesario para la elaboración de dicha solución. Se colocan los datos de la siguiente manera:

81.2 ºBx (Miel de abeja)

Y1 = 22º Bx

22 ºBx dilución

0º Bx (agua) Y2= 59.2 ºBx

Total= 81.2 ºBx

Al obtener y se proceden a hallar los respectivos porcentajes tanto de miel como

de agua para la solución de 22º Brix.

Obtenemos que la solución de 22º Brix tendrá 27.1% de miel de abeja y 72.9% será agua. Con estos porcentajes se obtendrá las cantidades (en gramos) necesarias para la elaboración de 150 g de solución de 22ºBrix.

Para la miel:

Para el agua:

Una vez obtenida la masa (en gramos) necesaria para la elaboración de esta solución, utilizaremos una balanza de precisión para pesar las cantidades exactas (40.65 g de miel de abeja y 109.35 g de agua). El paso siguiente será la de mezclar ambas sustancias en un vaso de precipitación utilizando un agitador. Una vez disuelta la miel de abeja se obtiene una mezcla homogénea. Según el método de la Cruz de Cobenze esta solución deberá tener 22ºBrix.

Finalmente mediremos los grados brix utilizando el refractómetro para contrastar con la teoría. Obtenemos que la nueva solución presenta 21.8º Brix, bastante aproximado al valor propuesto al principio del proceso.

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