It is very important to recognize which are the key factors during a normal industrial proccess. In this case we briefly define the concepts of pressure, temperature, density, and so others proccess factors. And there are some exercises to practice these topics

1. GUÍA 2 DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA – Curso Intersemestral
Profesor JUAN ANDRÉS SANDOVAL HERRERA
F.U.A. 2014
VARIABLES DE PROCESO
Dentro de una planta química, existen varias unidades. En
algunas unidades existen solo cambios físicos en las
sustancias, lo que se conoce como operaciones unitarias.
En otras se dan cambios químicos, o de la naturaleza de la
sustancia. En estas se dice que hay procesos químicos. En
general, ambos tipos de unidades se llaman UNIDADES DE
PROCESO. Estas UNIDADES se pueden categorizar como de
entrada; de alimento o materia prima. Luego hay diferentes
unidades de proceso en las cuales se transforma o se
realiza una operación unitaria sobre ese ese alimento, o
materia prima, para obtener un determinado producto, a la
salida. En el intermedio, hay diversas corrientes, algunas
son necesarias para la reacción central, otras son corrientes
de servicio como vapor o aire, y otras son subproductos o
desechos. En el diseño y control de esas unidades de
proceso, deben conocerse variables de proceso tanto a la
entrada como a la salida de cada una. Estas variables
pueden ser: temperatura, presión, flujo másico,
composición, etc.
1. Volumen específico
Es el inverso de la densidad. Corresponde al volumen por
unidad de masa de una sustancia, el volumen que ocupa
una determinada cantidad de sustancia. Se mide en:
Sistema Internacional: m3
/kg
Sistema Inglés: pie3
/lbm
En el caso de sólidos el volumen específico es
independiente de la temperatura y la presión. Su valor se
puede conseguir en tablas para sustancias conocidas.
2. Densidad
Corresponde a la masa por volumen. Se mide en:
Sistema Internacional: kg / m3
Sistema Inglés: lbm / pie3
Densidad relativa o gravedad específica (G)
Corresponde a la relación (cociente) entre la densidad (para
sólidos y líquidos) o el peso específico (para gases) de una
sustancia a la densidad o el peso específico del agua a 4ºC,
tomada como referencia. No tiene unidades, sin embargo
hay varias escalas según el tipo de sustancias a manejar, en
las cuales se mide en grados la gravedad específica:
Escala Baumé: Se divide en dos formas, una para líquidos
más ligeros que el agua y otra para líquidos menos ligeros,
o más “pesados” que el agua:
A. Más ligeros: º Bé = (140 / G) – 130
B. Menos ligeros: º Bé = 145 - (145 / G)
Escala API: Grados API. Es la escala de gravedad específica
adoptada por el Instituto Americano del Petróleo. Teniendo
en cuenta que la gran mayoría de los productos derivados
del petróleo son más ligeros que el agua, la única escala
corresponde a:
° API = (141,5/G) – 131,5
Escala BRIX: Expresa el porcentaje en peso de azúcar en
una solución acuosa.
° Brix = (400/G) – 400
Un grado brix corresponde a 1% en peso de azúcar.
3. Presión (P)
Es la componente normal de la fuerza ejercida por un fluido
sobre una unidad de área. Se mide usualmente en: Pa
(N/m2
), atmósferas, mmHg, psi. El instrumento usado con
más frecuencia para medir la presión, se llama manómetro.
Es un tubo doblado en U, en donde un extremo o bien está
abierto a la atmósfera y el otro al fluido, o ambos están en
el fluido. Y dentro del tubo hay un líquido manométrico
inmiscible con el fluido a medir, que por efecto de la
presión del fluido sube o baja en las dos ramas del tubo en
U. Se determina la diferencia de alturas, por convención,
entre la rama derecha y la izquierda y se relaciona con la
presión por la siguiente fórmula:
P =  g z
Donde  es la densidad del fluido manométrico, g es la
aceleración de la gravedad, y z es la diferencia de altura.
Se pueden considerar dos formas de expresar la presión,
cuya diferencia está en la referencia:
Presión absoluta: toma como referencia el vacío absoluto,
y nunca puede tomar valores negativos.
Presión manométrica: toma como referencia la presión
atmosférica local. La presión atmosférica local se puede
tomar como la presión promedio en la época del año (varía
según factores climatológicos), o medir con un barométro,
que en sí consiste en un instrumento que relaciona la altura
de una columna de mercurio con la presión atmosférica
local respecto al vacío.
4. Temperatura (T)
Se podría considerar como la fuerza impulsora de la
transferencia de calor, el diferencial de temperatura
específicamente. Se mide en escalas absoluta y relativa,
tanto para el sistema de unidades Internacional como para
el inglés.
Escalas:
A. Celsius: ºC
Desde -273 (cero absoluto) en adelante. P. de fusión: 0ºC;
P. de ebullición: 100ºC. Amplitud escala: 1 grado.
B. Kelvin: K
Desde 0 (cero absoluto) en adelante. P. de fusión: 273,15 K;
P. de ebullición: 373,15K. Amplitud escala: 1 grado.
C. Farenheit: ºF
Desde -460 (cero absoluto) en adelante. P. de fusión: 32 ºF;
P. de ebullición: 212ºF. Amplitud escala: 1,8 grados.
D. Rankine: ºR
Desde cero absoluto en adelante. P. de fusión: 32 ºF; P. de
ebullición: 672ºF. Amplitud escala: 1,8 grados.
Conversión de unidades:
K = ºC + 273
ºF = 1,8ºC + 32
ºR= ºF+460
Equivalencias entre diferencias de temperaturas:
T (K)= T (ºC)
T (ºR)= T (ºF)
T (ºR)= 1,8 * T (K)
T (ºF)= 1,8 * T (ºC)

2. 5. Flujo másico (ṁ)
Masa transportada por unidad de tiempo. Sus unidades en
S. Internacional son: kg/s
6. Flujo volumétrico (Q)
Volumen transportado por unidad de tiempo. Unidades en
S. Internacional: m3
/s
La relación entre el flujo másico y el flujo volumétrico es la
siguiente:
ṁ =  Q o también: ṁ =  V A
Donde V es la velocidad lineal, y A es el área de flujo.
7. Composición
A. Porcentaje en peso: Se usa más para sólidos y líquidos
%mi = mi /  mi * 100
Donde m: masa; i: componente
B. Porcentaje en volumen: Se usa más para gases
%Vi = Vi /  Vi * 100
Donde V: Volumen; i: componente
C. Fracción en masa:
wi = mi /  mi
Donde: mi: masa componente i: mi: suma de masas o
masa total.
D. Fracción molar:
xi = ni /  ni
Donde: ni: moles componente i: ni: suma de moles o
moles totales.
E. Molaridad: Se usa para soluciones
M = n / V
Molaridad = moles soluto / volumen de la solución (L)
F. Molalidad:
m = ni / Kg
Molalidad = moles soluto / masa solvente (Kg)
G. Normalidad:
N = equivalente gramo de soluto / volumen de la
solución (L)
8. Masa molecular media
Se usa sobre todo cuando se manejan gases.
𝑀 =  (Mi xi)
Donde: Mi: masa molecular del componente i; xi: fracción
molar del componente i
9. Base de cálculo
Todos los cálculos relacionados con balance de materia,
requieren establecer una corriente como referencia, sobre
la cual se determinan las demás. Se pueden tomar en base
100 g, 100 Kg, 1 ton (1000 Kg) o en flujo másico, Kg/h,
Ton/h. También se pueden usar otras unidades como por
ejemplo, g – mol, lb – mol, etc.
10. Base seca, base húmeda y porcentaje de humedad
Cuando en la composición de una corriente se incluya agua,
se dice que es en base húmeda. Cuando en la composición
de una corriente no se incluya agua, aun estando presente,
se dice que es base seca.
En operaciones de secado de sólidos se suele expresar el
porcentaje de humedad, como el contenido de agua por
unidad de masa de sólido seco o húmedo, siendo así
porcentaje de humedad en base seca o porcentaje de
humedad en base húmeda, respectivamente.
EJERCICIOS PROPUESTOS
1. Una solución acuosa de H2SO4 al 5% por peso (=1,03
g/mL) fluye por una tubería de 45 m de longitud y 6 cm
de diámetro a una velocidad de 87 L/min
a) ¿Cuál es la molaridad del ácido sulfúrico en la
solución?
b) ¿Cuánto tiempo en segundos tardaría en llenarse
un tambor de 55 galones y cuánto ácido sulfúrico
habrá en dicho tambor?
2. La densidad del mármol es de 2,84 g/cm3
. ¿Cuál es la
masa y el peso de un cilindro de mármol de 1 m de alto
y 7 cm de diámetro?
3. En un tanque se encuentran 130 kg de gas con la
siguiente composición: 40% N2, 30% CO2 y 30% CH4.
¿Cuál es el peso molecular medio del gas?
4. Convierta una presión de vacío de 20 kPa a presión
absoluta en kPa, atm, mmHg y psia, si la presión
atmosférica es 740 mmHg.
5. Convierta una temperatura de 120°C a las demás
unidades: K, °F y °R
6. Se tienen 100 kg-mol de una mezcla de gases con la
siguiente composición molar: CH4 30%, H2 10% y N2
60%. ¿Cuál es la composición en peso (masa) y cuál es
la masa total en kg?
7. Una solución de una sustancia X de masa molar 300
g/gmol en agua tiene una molaridad de 3 y una
densidad de 950 kg/m3
. Calcular la fracción molar de X
y el porcentaje en masa si se toma una base de cálculo
de 1 kg de solución.
8. Calcule la densidad de un líquido si ocurre lo siguiente:
se agrega a un recipiente que vacío pesa 100 g, y lleno
del líquido pesa 130 g. Y el recipiente es un cilindro de
10 cm de diámetro y 25 cm de alto.
9. En 180 kg de agua, diga cuántas de las siguientes hay:
a) Kg-mol de agua
b) Moléculas de agua
c) Mol (gmol) de hidrógeno
d) Mol de oxígeno
10. En un colector de vapor hay 500 kg de vapor de agua.
Determine el volumen, V, del colector, en m3
, si el
volumen específico del vapor es 20,2 cm3
/g.
11. Un caudal de 100 L/s de agua fluye por una tubería de
5 cm de diámetro. Calcule la velocidad de flujo lineal
(m/s); el flujo másico en kg/h y el flujo molar en mol/s.
12. Determine el peso del agua a 20°C, contenida en una
piscina de 12 m de ancho, 25 de largo y 2 de
profundidad.
13. Una solución de sulfato férrico, Fe2(SO4)3, contiene 30
% en peso de sulfato y su densidad relativa es 1.1409.
Determinar la Molaridad y la molalidad de solución.
B.C.: 100 kg de solución.
14. Un equipo de vacío indica una presión de 2 psig. Si la
presión atmosférica es 14,5 psi, ¿Cuál es la presión
absoluta en Pa, atm y bar?
15. Una roca contiene 45% de CaSO4 en masa. ¿Qué masa
de roca se necesita para obtener 5,29 g de CaSO4?
BIBLIOGRAFÍA
FELDER, Richard. Principios elementales de los procesos
químicos, Limusa Wiley, tercera edición, Capítulo 3.
HIMMELBLAU, David. Principios básicos y cálculos en
Ingeniería química. Prentice Hall Hispanoamericana S.A.,
sexta edición, Capítulo 1.