Preinforme 1_danielfernandez_constanzahidalgo - Constanza Hidalgo Saelzer

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UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL 
TRANSFERENCIA DE CALOR 1er Semestre 2017 
 
 
 
Profesor 
Ayudante 
Bloque 
 
Paula Guerra 
 
 
Integrantes Daniel Fernández 
Constanza Hidalgo 
 
 
 
 
PREINFORME 
 
 INFORME 
X 
 
Experiencia 
N°1 
28 de Marzo 
2017 
Conocer, plantear y resolver los balances de materia y energía cumple un rol 
fundamental en el desarrollo del ingeniero; siendo además la herramienta 
básica e indispensable para solucionar problemas de ingeniería. 
Balances de 
Materia y 
Energía 
Universidad Técnica Federico Santa María 
Departamento de Ingeniería Química y Ambiental 
Transferencia de Calor 2017-1, Campus San Joaquín 
 
Balances de materia y energía Página | 1 
1.- Defina y responda brevemente para los siguientes conceptos: 
a) Calor latente, calor sensible, calor de mezclado y calor de reacción. De ejemplos 
cotidianos de cada uno de ellos. 
b) Sistema isotérmico y sistema adiabático. Explique la importancia de cada uno con 
ejemplos utilizados en la industria. 
c) Sistema estacionario y sistema transciente. 
d) Sistema abierto, cerrado y aislado. De ejemplos de cada uno. 
e) Propiedades extensivas e intensivas. 
 
a) 
 
- Calor Latente: Corresponde a la cantidad de calor absorbida o cedida por una sustancia, 
necesaria para que exista un cambio de fase (o de estado). Cabe decir, que durante el cambio de 
fase, la sustancia no tendrá cambios de temperatura. Un ejemplo cotidiano, es el derretimiento de 
un hielo. 
- Calor Sensible: Es la cantidad de calor absorbida o liberada por un cuerpo o sistema, sin que 
ocurra un cambio en su estado. Por esto, solo involucra cambios de temperatura. Un ejemplo de 
esto, es el calentamiento de una cuchara, dentro de un té caliente. 
- Calor de Mezclado: Se define como el calor generado o absorbido, cuando cierta cantidad de 
solvente, se diluye en cierta cantidad de disolvente. Un ejemplo muy común, sería añadirle sal de 
mesa, a un vaso de agua. En este caso, la reacción es endotérmica, es decir, necesita absorber 
calor. 
- Calor de Reacción: Se define como la energía absorbida o liberada en una reacción química. Un 
ejemplo, sería destapar una cañería con soda caústica, que al contacto con el agua se genera un 
aumento de temperatura. 
b) 
- Sistema Isotérmico: Es aquel que mantiene una temperatura constante durante un proceso. 
Según la primera ley de la termodinámica, se considera que no existe cambio en la energía 
interna en estas condiciones. En la industria de alimentos, es necesario mantener procesos a 
temperatura constante, por ejemplo de cocción o de refrigeración. 
- Sistema Adiabático: Se denomina así, a aquellos que no permiten la transferencia de calor entre 
el sistema y sus alrededores, en otras palabras, no absorbe ni libera calor. Un ejemplo de sistemas 
adiabáticos, sería en una industria de procesamiento de gases, donde se requiere transportarlos a 
cierta temperatura. 
 
c) 
- Sistema Estacionario: Es aquel que no experimenta cambios de velocidad y/o elevación durante 
un proceso. También puede considerarse como estacionario, algún sistema que no experimenta 
cambios en sus propiedades termodinámicas, o cuando sus características son constantes. 
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- Sistema Transciente: Al contrario del anterior, sus variables no son constantes en el tiempo. 
Generalmente, un sistema transciente termina siendo estacionario al lograr el equilibrio. 
d) 
- Sistema Abierto: Es aquel que se relacionan con los alrededores, mediante intercambios de 
materia, a través de entradas y salidas, y de energía. Un ejemplo de este, sería el cuerpo humano. 
- Sistema Cerrado: En este caso, el sistema no permite el intercambio de materia entre su interior 
y los alrededores, pero si el traspaso de energía. Por ejemplo, una lata de bebida cerrada. No 
permite el ingreso ni la salida del bebestible, pero si se puede variar su temperatura. 
- Sistema Aislado: Corresponde a un sistema donde no existe ningún tipo de intercambio con el 
medio. Como ejemplo, se puede considerar un termo cerrado, que al estar aislado térmicamente 
no permite que entre o salga calor, y por estar cerrado, no hay intercambio de materia. 
e) 
- Propiedades Extensivas: Son aquellas que dependen de la masa o extensión del sistema. 
- Propiedades Intensivas: Corresponden a las propiedades independientes de la masa contenida 
dentro de las fronteras del sistema. 
 
2.- Indique brevemente a qué se refieren y cómo se relacionan los conceptos de calor 
requerido, calor de servicio y calor de diseño para un proceso. Además defina 
Configuración cocorriente, configuración contra-corriente y configuración de flujo cruzado 
referidos a un intercambiador de calor. Para los primeros dos casos, muestre los perfiles de 
temperatura y explique por qué uno es más eficiente que el otro en cuanto a la transferencia 
de energía. 
Calor Requerido: Calor o energía necesaria para llevar un proceso de un estado inicial a uno final. 
 
Calor de Servicio: Calor real que emplea un equipo en un trabajo. 
 
Calor de Diseño: Calor ideal de trabajo en un equipo, es la energía necesaria con que un equipo 
debiera trabajar. 
 
Todos estos calores se relacionan en un proceso real, donde se busca llevar un proceso de un 
estado inicial a uno final, pero el calor de servicio entrega su energía real, teniendo detrás una 
energía necesaria de trabajo para llevar a cabo un proceso. 
 
Configuración Cocorriente: En un intercambiador de calor con dos fluidos en actuación, uno de 
ellos es frio mientras que otro caliente; en esta instancia si utilizamos un intercambiador de tubos 
en la dirección que se desee, ambos flujos, tanto el caliente como el frio se dirigen en la misma 
dirección y sentido para realizar la transferencia de calor. La transferencia comienza de menos a 
más, considerando un gradiente de transferencia entre ellos, a medida que avanzan estos fluidos, 
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llegaran a una temperatura similar pero no igual, siempre dependiente del tipo de fluidos, 
concentración y cantidad. 
 
Configuración Contracorriente: En esta configuración los flujos para el intercambio de calor, se 
dirigen en sentido contrario, por lo que, se genera un intercambio más homogéneo; teóricamente 
la temperatura de entrada de un fluido puede ser igual a la de salida del otro fluido y viceversa. 
 
En consecuencia, analizando ambas configuraciones de flujo, es prudente decir que la 
configuración contracorriente es más eficaz a la hora de transferir energía o calor de un fluido a 
otro, debido a los perfiles de temperatura en Figura 1, se espera que un fluido tienda a alcanzar la 
temperatura de otro en su máxima o mínima, según entre o salga, mediante un gradiente 
constante de intercambio. 
 
 
Figura 1: Configuraciones de flujo y perfil de temperatura en un intercambiador de calor. 
 
Configuración Flujo Cruzado: El intercambio de calor, entre los flujos ocurre de manera 
perpendicular entre ellos, este se utiliza para aprovechar las características de algunos 
compuestos, como lo es el vapor de agua condensado. Ambos fluidos llegan a una temperatura 
similar. 
 
3.- Para el ácido sulfúrico e hidróxido de sodio: 
a) Averigüe clasificación de riesgo de cada sustancia (inflamabilidad, reactividad, riesgo a 
la salud y otros). 
b) Indique peligro para las personas al contacto con la piel, ojos e ingestión. 
c) Para cada caso anteriorindique las medidas de emergencia y primeros auxilios. Además 
indique medidas de seguridad que se deben tomar en cuenta durante la experiencia de 
laboratorio. 
 
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 Ácido Sulfúrico 
a) La información requerida sobre inflamabilidad, reactividad y riesgo a la salud, está presente en 
la siguiente figura: 
 
 
Figura 2: Señal de seguridad NCh-1411/4, para el ácido sulfúrico diluido, donde se indica qué representa cada rombo 
de color. 
 
En el caso de los riesgos a la salud, el número tres, representa la posibilidad de un daño severo, es 
decir, se está en presencia de una sustancia, que podría causar serias lesiones temporales o 
residuales en exposiciones breves, lo que implica el uso de protección para evitar su contacto con 
el cuerpo. 
Para la inflamabilidad, el número cero, significa que no arde, y por lo tanto no es inflamable. 
Para la reactividad, el número dos, representa que la sustancia sufre rápidamente, cambios 
químicos violentos a temperaturas y presiones elevadas. 
Finalmente, para las consideraciones especiales, la letra W tachada representa que el compuesto 
reacciona violentamente con el agua, exotérmicamente. 
Sumado a todo lo anterior, es corrosivo para los metales, y puede liberar gases tóxicos como 
óxidos de azufre. 
 
b) 
En caso de contacto de ácido con la piel, causa corrosión cutánea, debido a su gran acción 
deshidratante, si la quemadura es muy extensa, puede ser fatal. Por otro lado, si existe ingestión, 
pueden causarse graves lesiones en el tracto gastrointestinal, e incluso un colapso circulatorio. 
Si los ojos son expuestos a la sustancia, pueden causarse irritaciones y quemaduras en la córnea, 
además de causar daños permanentes en el globo ocular si la exposición es abundante o 
prolongada. Finalmente, si son inhalados vapores nocivos, puede causarse una irritación severa 
del tracto respiratorio, falta de aire, broncoespasmos, y también enema pulmonar; si ingresa una 
gran cantidad de vapor, puede causar la muerte. 
 
 
 
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c) 
Para todos los casos, se debe enjuagar la zona inmediatamente con agua o solución salina 
abundante, y también se deben quitar los implementos rociados con el ácido. Si la exposición es 
prolongada, y la persona afectada se siente mal, se debe buscar ayuda médica inmediata. 
 
En el caso de la ingestión, no se debe inducir el vómito para evitar más daño a los tejidos, y se 
tiene que suministrar mucha agua. 
Para el contacto con los ojos, si el afectado utiliza lentes de contacto, estos deben ser sacados, 
sólo si es posible, y luego seguir enjuagando. 
Si existe inhalación de la sustancia, hay que trasladar a la persona afectada al aire fresco, 
manteniéndola en reposo y en una posición cómoda. 
 
Al trabajar con ácido sulfúrico, se debe evitar almacenar con productos orgánicos y con 
sustancias con las que al reaccionar, generan sustancias altamente oxidantes. Debe estar 
contenido en materiales como acero inoxidable, vidrio, porcelana o polietileno de alta densidad, y 
en un ambiente con una buena ventilación y poca humedad. 
En caso de derrame, debe ser absorbido con un material adecuado, por ejemplo, arena. Si es 
posible, se deben reutilizar o reprocesar los desechos, para evitar contaminación del ambiente. 
Además, se deben usar implementos de seguridad como guantes, ropa y botas resistentes a su 
corrosión. Si se derrama una gran cantidad, se debe evacuar el área y llamar a personal 
especializado. 
 
 Hidróxido de Sodio 
 
a) La información sobre inflamabilidad, reactividad y riesgo a la salud, está presente en la siguiente 
figura: 
 
 
Figura 3: Señal de seguridad NCh-1411/4, para el hidróxido de sodio. (los colores son los mismos de la figura 1, pero 
no se encontró una mejor resolución) 
 
Presenta un grado de 3 para riesgos a la salud, que representa la posibilidad de un daño severo, 
podría causar lesiones serias en exposiciones breves, por lo que se debe usar ropa especial para 
evitar su contacto. 
Además, como se aprecia en el rombo superior, el número cero representa que la sustancia no es 
inflamable. 
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Finalmente, para la reactividad, el número 1 representa que es estable naturalmente, pero podría 
no serlo a temperaturas y presiones elevadas. 
La sigla ALK, representa que se está en presencia de un compuesto alcalino, y reacciona 
exotérmicamente con el agua. 
 
b) 
La inhalación de polvo o neblina de hidróxido de sodio causa irritación y daño en el tracto 
respiratorio. Si es concentrado, provoca ulceraciones. Al contacto con los ojos, causa graves 
daños, desde irritación de la córnea, hasta su desintegración. En casos severos puede causar 
ceguera permanente. Si la piel es tocada por NaOh sólido o solución, se tendrá una grave 
corrosión, y puede causar la destrucción de la epidermis afectada en 60 minutos. En caso de 
ingestión, causa quemaduras en boca y esófago en caso de ser tragado produciendo vómitos y 
colapso. 
 
c) 
Si el compuesto es inhalado, se debe llevar a la persona a un lugar con aire fresco, y no se debe 
dar agua. Si está inconsciente, suministrar respiración artificial y reanimación cardiopulmonar. 
Si es ingerido, no se debe provocar el vómito. Si la persona afectada está consciente, dar una 
cucharada de agua inmediatamente, y luego, cada 10 minutos. En el caso contrario, se debe tratar 
como una inhalación. 
Para el caso de contacto con piel u ojos, se debe lavar con agua abundante, y se debe sacar la ropa 
e implementos contaminados. 
 
En caso de derrame, hay que ventilar el agua y ponerse la ropa de seguridad adecuada. Si es 
NaOh sólido, se debe mezclar con arena seca, neutralizar con HCl diluido, diluir con agua, 
decantar y tirar al drenaje. Si es una disolución, evitar que se expanda el líquido, neutralizar un 
HCl diluido, agregar agua y desechar en el drenaje. 
Se debe almacenar en lugares secos, alejado de ácidos, disolventes clorados, explosivos y 
peróxidos, y de sustancias inflamables. 
Para su manejo, es necesario el uso de implementos de seguridad como antiparras, bata y guantes 
apropiados, y debe hacerse bajo una campana. 
 
4.- Una solución de 200 [mL] al 80% en peso de ácido sulfúrico y a 250 °F es diluida con 
130 [mL] de agua a 55 °F. Determine: 
a) Masa, volumen y Temperatura final de la mezcla. 
b) Calor de dilución en [J]. 
 
Para determinar la masa, es necesario realizar un balance de materia: 
 
 
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 [ ] [
 
 
] [ ] [
 
 
] [ ] [
 
 
] 
 
 [ ] 
 
Luego mediante un balance de energía, se deben plantear las variables faltantes: 
 
 ̂ ̂ ̂ 
 
Conocidas las masas, falta determinar las entalpias correspondientes, que vienen dada por figura 
4. 
 
Figura 4: Diagrama de entalpía-concentración de un sistema ácido sulfúrico-agua.Obteniéndose, para el ácido sulfúrico una concentración del 80% con una temperatura de 250 
[°F]: 
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 ̂ [
 
 
] 
 [ ]
 [ ]
 
 [ ]
 [ ]
 [
 
 
] 
 
Y como no hay agua en la concentración de ácido sulfúrico, se utiliza una concentración de cero 
hasta chocar con la temperatura de 55 [°F]. 
 
 ̂ [
 
 
] 
 [ ]
 [ ]
 
 [ ]
 [ ]
 [
 
 
] 
 
Uniendo ambos puntos de intersección en el gráfico, se necesita conocer la concentración de 
ácido en la mezcla, para ello: 
 
 
 
Como la concentración de agua es nula, se reemplazan datos conocidos y se despeja : 
 
 
 
 
 
 [ ]
 [ ]
 
 
Finalmente la intersección de la concentración de 0,6 con la línea recta de los puntos iniciales con 
sus temperaturas, resulta la entalpia de la mezcla: 
 
 ̂ [
 
 
] 
 [ ]
 [ ]
 
 [ ]
 [ ]
 [
 
 
] 
 
Reemplazando en ecuación (2) se obtiene que: 
 
 [ ] 
 
5.- Un secador de textiles consume 4[m3/h] de gas natural con un poder calorífico de 800 
[kJ/mol]. Se tratan en la secadora 60[kg] de tela húmeda por hora, secándola del 55% de 
humedad hasta un 10% de humedad. Estimar la eficiencia global del secador considerando 
solo el calor latente de la evaporación. 
 
 
 
 
 
 
Primero, se tiene que la ecuación de calor latente es: 
 
 
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Donde corresponde al calor o entalpía de vaporización. 
 
Con los datos dados sobre la humedad de la ropa, se puede decir que inicialmente habían [ ] 
de agua, y al final del secado, [ ] Por lo tanto, se tiene que la masa de agua evaporada es de 
 [ ]. 
 
 Sabiendo esto, y conociendo el para el agua, se procede a calcular el calor latente necesario 
para evaporar la cantidad de agua requerida: 
 [ ] [
 
 
] [ ] 
 
Luego, usando la ecuación de los gases ideales ( , es posible obtener la cantidad de 
 
 
 de gas natural, que transitan por el sistema. Considerando [ ] y , se 
obtiene: 
 [ ] [
 
 
] [
 
 
] [ ] 
 [
 
 
] 
 
Multiplicando el valor obtenido, por el poder calorífico del gas natural, se tendrá el calor 
entregado, en una hora. 
 [
 
 
] [
 
 
] [ ] [ ] 
Finalmente, calculando la eficiencia global del proceso, se consigue: 
 
 
 [ ]
 [ ]
 
 
6.- Se tratan 900 latas de 0,5 [kg] de contenido en un auto clave construido de acero 
inoxidable que pesa 1000 [kg]. LA cesta también es de acero inoxidable y pesa 100[kg]. Las 
latas son de hoja lata y pesan vacías 50[g] cada una. 
Calcular el agua que se utilizará en el proceso de enfriamiento del autoclave, desde 120 
hasta [°C], si el agua llega al equipo a 20 [°C] y lo abandona a 25[°C]. 
Datos: Cp,producto=4[kJ/kgK]; Cp,hacer inox.=0,5[kJ/kgK]; Cp,hojalata=0,6[kJ/kgK] 
 
Se realiza un balance general de energía o calor, asumiendo que todo el sistema de auto clave se 
encuentra a 120[°C] iniciales, además el calor transferido de uno es el calor absorbido de otro, 
infiriendo en un signo negativo en la igualdad de calores: 
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Reemplazando datos: 
 
 [ ] [
 
 
] [ ] [
 
 
] [ ] [
 
 
] 
 [ ] [
 
 
] [ ] [
 
 
] 
 
Finalmente: 
 
 [ ] 
 
7.- 10[kg] de frutillas inicialmente a 20[°C] se congelan utilizando 4200[kJ] de energía. 
Calcule la temperatura a la cual estarán al finalizar el congelamiento. Datos: 
 =-0,8[°C], =3,8[
 
 
]; =1,9[
 
 
]; 
 = 300[
 
 
]; 
 
Primero, es necesario saber que en el presente proceso, se hacen presentes el calor sensible y 
latente. El primero, está dado por la ecuación: 
 
Donde es el calor específico de una sustancia, a presión constante. 
Por otro lado, la ecuación del calor latente, está dada en la pregunta . 
 
Analizando el problema, se tiene que se efectúan dos calores sensibles (desde la a 
 , y desde hasta ). 
 
Así, se sabe que el calor total absorbido desde las frutillas está dado por: 
 
 
Todos los calores se considerarán negativos, debido a que se está sacando de las frutillas. Luego, 
reemplazando, se tiene: 
 
 ( [ ] [
 
 
] [ ]) [ ] 
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 ( [ ] [
 
 
] ) [ ] 
 ( [ ] [
 
 
] ( )[ ]) [
 
 
] ( )[ ] 
 
 
Igualando, y sumando las expresiones: 
 
 [ ] [ ] [ ] [
 
 
] ( )[ ] 
 
Despejando , se tiene que: 
 [ ] [ ] 
 
8.- Una columna de destilación trata 100[kg/h] de una mezcla de 60% de Amoniaco y 40% 
de agua. El producto de cabeza tiene un 99% de NH3 y el fondo 0,5% de NH3. El 
condensador recibe 1000000[kcal/h]. Las entalpías se tomaron de la temperatura del flujo 
correspondiente y según la misma Tref. Calcule la cantidad de destilado y fondo [kg/H] y el 
calor suministrado por el evaporador. Datos: ̂ [
 
 
] ̂ [
 
 
] ̂ 
 [
 
 
] 
 
 
Figura 5: Columna de destilación. 
 
Realizando los respectivos balances de materia, general y por componente de amoniaco, se tiene: 
 
 
 
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Considerando también, el balance de energía presente en la columna de destilación: 
 
 
 
Obteniéndose un sistema de 3x3. Reemplazando valores y reduciendo ecuaciones: 
 
 [
 
 
] 
 
 [
 
 
] [
 
 
] 
 
 [
 
 
] [
 
 
] [
 
 
] [
 
 
] [
 
 
] 
 
Finalmente se obtiene: 
 
 [
 
 
] 
 [
 
 
] 
 [
 
 
] 
 
Bibliografía 
 
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p.222). Mc Graw-Hill. 
- Definición de Sistema Estacionario: http://unefa-
termodinamica.blogspot.cl/2009/07/primera-ley-de-la-termodinamica.html. 
- Definiciones en Incisos y : J.R Howell, R.O.Buckius. (1990). Principios de 
Termodinámica para Ingeniería . Energía y Transferencia de Energía(Capítulo 2, p.34 - 
35).Mc Graw-Hill. 
- Definiciones en inciso : Universidad Nacional Autónomade México (2007). 
Intercambiadores de Calor. Obtenido de 
http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/HeatExchanger/Intercambiadores.pdf. 
- Partes de las Señales de Seguridad: ACHS. Manual de Sustancias Peligrosas. Obtenido de 
http://www.asimet.cl/pdf/msp_ACHS.pdf 
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- Hoja de Seguridad Ácido Sulfúrico: Oxychile (2017). Hoja de Datos de Seguridad del 
Ácido Sulfúrico Diluido. Obtenida de 
http://www.oxychile.cl/rps_oxychile_v56/OpenSite/Oxy%20Español/Productos%20y%20
Servicios/Ácido%20Sulfúrico/20160901164419/M1055%20CHILE_MS%2001-03-
2017%20ACIDO%20SULFURICO%20DILUIDO.pdf 
- Hoja de Seguridad Hidróxido de Sodio: Universidad Nacional Autónoma de México. 
Hoja de Seguridad II: Hidróxido de Sodio. Obtenida 
http://www.quimica.unam.mx/IMG/pdf/2hsnaoh.pdf 
- Entalpía de Vaporización del Agua: Sears, Zemansky, H.D.Young, R.A Freedman. Física 
Universitaria. Vol.1.Termodinámica (Capítulo 17, p.587). Pearson. 
- Definiciones de Configuración en Paralelo y en Contracorriente: Engineers Edge. Parallel 
and Counter Flow Designs. Obtenido de 
http://www.engineersedge.com/heat_transfer/parallel_counter_flow_designs.htm