PRACTICA 4 - QUIMICA GENERAL- IPN - ESIQIE PDF

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practica numero 4: DIFERENCIAS ENTRE ESCALAS DE
LABORATORIO, del laboratorio de química general del instituto politécnico nacional, esiqie, INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL...

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DEPARTAMENTO DE FORMACION BASICA INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL CUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL

LABORATORIO DE QUIMICA GENERAL SESION 4: DIFERENCIAS ENTRE ESCALAS DE LABORATORIO DANIEL TONATIUH PALMA GARCIA

NO. BOLETA: 2021320439

GRUPO: 1IM2

OBJETIVO GENERAL •

Realizar diversos procedimientos experimentales para la manipulación de material de laboratorio e identificar la secuencia para cada uno de ellos.

OBJETIVOS PARTICULARES • •

•

Identificar los procedimientos y materiales adecuados en cada experimento. Realizar las secuencias experimentales para diferenciar el manejo de material en dos diferentes escalas de manipulación. Valorar el orden y limpieza en las actividades experimentales

INTRODUCCIÓN Un ingeniero químico debe ser capaz de identificar el material de laboratorio correcto y usarlo de manera pertinente para efectuar cualquier procedimiento experimental que se requiera dentro del área en que se desempeña. La experimentación no es la simple repetición de un fenómeno de tal forma de poder correlacionar datos y verificar la validez de una teoría. Al diseñar un experimento químico se deben prever todas las opciones de operación y de validación existentes. Las capacidades de indagación deben tomar en cuenta las diversas operaciones de separación, purificación y valoración de las sustancias que se manejan antes, durante y al final de un proceso químico. Por lo anterior, al diseñar un experimento químico debemos seleccionar la escala de trabajo que represente manipulaciones accesibles, costos y desechos mínimos, pero que permita visualizar las características, propiedades o cantidades deseadas. En el ámbito experimental, toda operación cuenta con dos escalas de trabajo en el laboratorio, antes de llevar el proceso al nivel industrial: •

•

Escala de vidrio Se reconoce con esta denominación aquella operación que se realiza en el laboratorio, generalmente con material de vidrio, y a su vez se divide en: I. Microescala; la cual utiliza materiales diseñados o adaptados para consumir cantidades mínimas de sustancias, con el consecuente ahorro de recursos, espacio y menor impacto ambiental. II. Macroescala; es la operación tradicional en la que se utilizan materiales convencionales y las cantidades de las sustancias son adecuadas para una visualización cómoda e inmediata: en consecuencia, los desechos y residuos son de mayor consideración. Escala planta piloto Para reconocer el impacto de las variables involucradas en una operación prevista con cantidades proyectadas para una situación de la vida cotidiana, se hace necesario diseñar los equipos como si estuvieran en la planta, pero con menores dimensiones, para poder efectuar repeticiones del proceso experimental y cuyas afectaciones económicas y ambientales no sean elevadas.

ACTIVIDADES PREVIAS •

Visita los laboratorios pesados de la ESIQIE y toma una fotografía del equipo que te haya llamado más la atención.

INTERCAMBIADOR DE CALOR El intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos fluidos, encontrándose éstos en contacto o separados por una barrera sólida. Se trata de componentes esenciales en los sistemas de climatización o refrigeración, acondicionamiento de aire, producción energética y procesamiento químico. Para entender fácilmente el funcionamiento del intercambiador de calor, podemos tomar como referencia el radiador de cualquier vehículo. El motor calienta el fluido refrigerante. Este último se refresca por el contacto con las corrientes de aire, logrando así reducir la temperatura del primero tras circular por su interior. Los intercambiadores de calor se emplean para los siguientes usos: I. II. III. IV. V.

Elevar la temperatura de un fluido gracias a otro más caliente. Refrescar un fluido empleando otro con menor temperatura Llevar al punto de ebullición a un fluido por la acción de un segundo con mayor temperatura. Condensar gases utilizando fluidos fríos. Llevar a ebullición un determinado fluido mientras se condensa otro gaseoso más caliente.

Los intercambiadores de calor de doble tubo (también conocidos como intercambiadores de calor de tubo en tubo) están formados por dos tubos concéntricos. El producto fluye por el tubo interior mientras que el servicio lo hace por el espacio entre ambos tubos. El intercambiador de calor de doble tubo está especialmente diseñado para el calentamiento o enfriamiento de productos con baja-media viscosidad. La gran ventaja del intercambiador de calor de doble tubo, o intercambiador de calor de tubo en tubo, es poder procesar productos con partículas, sin que exista riesgo de atasco. Un intercambiador de calor de doble tubo puede lograr un flujo de contracorriente puro, lo que permite que se logre un cruce de temperatura, por lo que el fluido frío puede calentarse por encima de la temperatura de salida del fluido caliente.

El uso de conexiones bridadas permite que los intercambiadores de calor de doble tubo se puedan desmontar para facilitar las labores de limpieza y mantenimiento.

•

Escribe el nombre y la definición de la operación unitaria a la que corresponde el equipo mencionado y cita tres productos que se pueden obtener mediante el mismo, de ser posible incluir las marcas comerciales.

Operación unitaria: Transferencia de calor Se denomina transferencia de calor, transferencia térmica o transmisión de calor al fenómeno físico que consiste en el traspaso de energía calórica de un medio a otro. Esto ocurre cuando dos sistemas que se encuentran a distintas temperaturas se ponen en contacto, permitiendo el flujo de la energía del punto de mayor temperatura al de menor, hasta alcanzar un equilibrio térmico, en el que se igualan las temperaturas. •

•

Conducción Se llama conducción a la transferencia de calor mediante el contacto directo de las partículas de un material con las de otro, sin transferir materia entre los cuerpos. Ocurre en todos los estados de agregación: sólido, líquido o gaseoso, aunque en estos dos últimos suele preferirse la convección. La cantidad de calor que se transfiere mediante la conducción está determinada por la Ley de Fourier, según la cual la velocidad de transferencia del calor a través de un cuerpo es proporcional al gradiente de temperatura que existe en él. Convección La convección es semejante a la conducción, excepto que ocurre en los casos en que un fluido recibe calor y se mueve para transmitirlo dentro de un espacio donde está contenido. La convección es el transporte de calor por medio del movimiento de un fluido, sea gaseoso o líquido. Dicha transferencia se da en los términos planteados por la Ley del enfriamiento de Newton, que establece que un cuerpo pierde su calor a un ritmo proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y sus alrededores.

El estudio de la transferencia de calor se aplica en industrias químicas en etapas como la evaporación y secado. La evaporación consiste en eliminar una gran cantidad de agua mientras que el secado consiste en eliminar una baja cantidad de agua por lo que la transferencia de calor es menor para el secado que para la evaporación. Esto ocurre porque el calor latente es el que más prepondera en las ecuaciones de transferencia de calor. La transferencia de masa también acompaña a la transferencia de calor en las operaciones mencionadas. Productos que se pueden obtener: El desarrollo de alimentos - aceites, salsas, ovoproductos, conservas, compotas, mermeladas, productos lácteos, pescados y mariscos, etc. Aceites •

Calentamiento y refrigeración para el refinado

•

Biodiesel

Productos lácteos •

Pasteurización

•

Esterilización UHT

Ovoproductos •

Calentamiento/refrigeración

Compotas/mermeladas •

Calentamiento para reducir la viscosidad del producto

•

Calentamiento/refrigeración

Salsas •

Calentamiento para reducir la viscosidad del producto

•

Esterilización (SEP, SIP)

•

Pasteurización

Pescados y mariscos •

Enfriamiento

•

Esterilización

Productos de carne / comida preparada •

Calentamiento/refrigeración

•

Recuperación de energía en los mataderos.

BIBLIOGRAFIA

Intercambiador de calor: ¿qué es y para qué sirve? (2021, 19 febrero). Intercambiadores de calor Alfa Laval | T-Soluciona distribuidor oficial. https://tsoluciona.com/intercambiadores-calor-que-son-sirven/

Intercambiadores de calor de doble tubo. (2019, 26 septiembre). SACOME. https://www.scribbr.es/detector-de-plagio/generador-apa/new/webpage/

DIAGRAMA DE BLOQUES ESCALA MACRO

Preparación de la bureta

Llenar la bureta hasta un volumen de 25 mL con solución NaOH 0.1 N (solución titulante)

Evitando la presencia de burbujas

Fijar la bureta en la pinza doble.

ESCALA MACRO

Titulación

Con una pipeta volumétrica, medir 10 mL de solución de HCl (solución problema)

Agregarla a un matraz erlenmeyer de 150 mL

Adicionar agua destilada al matraz, hasta la marca de 50 mL.

Agregar 3 gotas de indicador fenolftaleína y agitar.

Descargar lentamente de la bureta la solución alcalina (NaOH), sin dejar de agitar el matraz. Hasta obtener el vire del indicador (de incoloro a rosa).

Efectuar la lectura en la bureta la cual corresponde al volumen agregado

Registrar en la bitácora el volumen gastado de NaOH 0.1 N.

ESCALA MICRO

Preparación de la microbureta

Armar la microbureta, según apoyo visual en video.

Colocar la llave de 3 posiciones, como se muestra en la figura 3.

Introducir la aguja dentro del vaso de precipitados que contiene la solución NaOH 0.1 N (solución titulante), y succionar con ayuda de la jeringa (aproximadamente 1 mL)

Evitando la presencia de burbujas.

Transferir la solución NaOH 0.1 N (solución titulante) de la jeringa a la pipeta, con ayuda del émbolo de la jeringa.

Cambiar la posición de la llave de 3 posiciones como se muestra en la figura 4.

Situar la llave de 3 posiciones como se indica en la figura 5.

Fijar la microbureta en la pinza doble.

ESCALA MICRO

Titulación

Con una pipeta graduada, medir 1.0 mL de solución de HCl (muestra problema), y agregarla en un matraz erlenmeyer de 25 mL

Adicionar 5 mL de agua destilada al matraz.

Agregar una gota de indicador fenolftaleína y agitar.

Colocar la llave de 3 posiciones como se muestra en la figura 6.

Descargar lentamente la solución alcalina (NaOH) de la microbureta, sin dejar de agitar el matraz, hasta obtener el vire del indicador (de incoloro a rosa).

Efectuar la lectura en la microbureta que corresponde al volumen agregado.

Registrar en la bitácora el volumen gastado de NaOH 0.1 N.

BITACORA Escala de Vidrio Macro

Escala Piloto

Planta de operaciones industriales

En el video se pudo apreciar el proceso de destilación, en donde se obtenía el alcohol del vino. Tras la observación del video capturado en clase, la escala de vidrio macro tiene como función el objetivo de lograr un análisis de pequeñas cantidades por medio de instrumentos de vidrio, antes de pasar por el proceso piloto, ya que los valores experimentales son de una mayor escala.

Es la función previa que se realiza para tener un conocimiento de lo que se produce en cantidades considerables, antes de su proceso industrial. Con esto se asegura el control de calidad del producto atreves de pruebas y análisis para llevarlo a una producción en cantidades aún más grandes.

Desarrollan toda cantidad de productos que tienen un análisis y pruebas previas, para su comercialización en escalas mayores con el fin de obtener productos de un mayor valor agregado. Se trabajan con grandes equipos de trabajo con capacidades de escala alta, esto para un control en cuanto a la calidad que le ofreces de tu producto al consumidor.

SEMEJANZAS: Entre los tres procesos existen muchas similitudes y funcionan como pasos o un seguimiento para un control de calidad de las materias primas que busquen ser comercializadas, todas funcionan como un análisis o desarrollo del producto, en base al conocimiento que adquieres en cada una de las escalas, para llevarlo a una planta industrial. TITULACION Concentraciones:

HCl + NaOH

NaCl + H2O

Escala Micro Sustancia NaOH HCl

Volumen (ml) 1.1 1

𝑁𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜𝑉𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 = 𝑁𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑉𝑏𝑎𝑠𝑒

𝑁𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 =

𝑁𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑉𝑏𝑎𝑠𝑒 (0.1)(10.8) = = 𝟎. 𝟏𝟎𝟖 𝑉𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 10

Concentración (N) 0.1 0.11

Escala Micro Sustancia NaOH HCl

Volumen (ml) 1.1 1

Concentración (N) 0.1 0.11

𝑁𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜𝑉𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 = 𝑁𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑉𝑏𝑎𝑠𝑒

𝑁𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 =

𝑁𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑉𝑏𝑎𝑠𝑒 (0.1)(1.1) = = 𝟎. 𝟏𝟏 𝑉𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 1

FILTRACION

Escala

Masa del vidro del reloj

Macro Micro

35.21g 8.68g

Masa del papel Masa del vidrio del filtro reloj + el papel filtro + el precipitado 3g 44.8 g 0.73g 10.44g

Masa del precipitado húmedo 6.59 1.03

Macro

Micro

𝑚𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑑𝑜 = 44.8𝑔 − 3𝑔 − 35.21

𝑚𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑑𝑜 = 10.44𝑔 − 0.73𝑔 − 8.68

𝑚𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑑𝑜 = 6.59𝑔

𝑚𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑑𝑜 = 1.03𝑔

CONCLUSION

De esta práctica se realizaron diversos procedimientos experimentales para la manipulación de material de laboratorio e identificar la secuencia para cada uno de ellos. Se consiguió la identificación entre escalas, así como sus respectivos procedimientos. Se logro comprender y analizar el objetivo de cada tipo de escala antes de llevar un proceso industrial, la importancia de estos en el ámbito laboral como los procedimientos experimentales para un mejor manejo de escalas y operaciones químicas. Así como identificar las diferencias y semejanzas entre las escalas, gracias al análisis de los videos obtenidos en clase. Se cumplieron los objetivos de valorar el orden y limpieza en las actividades experimentales, ya que se deben considerar y prever todas las opciones de operación. También el valorar el control de calidad de los procesos químicos en la industria. La identificación de las distintas operaciones de procesos como la titulación y filtración de una solución, esto gracias a los distintos procedimientos e investigación de cada uno de los procesos, así como la identificación de las distintas operaciones unitarias, como de los equipos de laboratorio, su funcionamiento y productos que podemos obtener de este....