Práctica 8 de Química General_ ESIQIE_Primer semestre PDF

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Instituto PolitécnicoNacionalEscuela Superior de Ingeniería Química e Industrias ExtractivasDepartamento de Formación BásicaAcademia de QuímicaLaboratorio de Química GeneralPráctica No. 8Operaciones y ProcesosEquipo 3Alumna: Pérez Acoltzi VanesaSección BMEV Irma Rodríguez HernándezSesión No. 8“OPERA...

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Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Departamento de Formación Básica Academia de Química Laboratorio de Química General Práctica No. 8 Operaciones y Procesos Equipo 3 Alumna: Pérez Acoltzi Vanesa Sección B MEV Irma Rodríguez Hernández

Sesión No. 8 “OPERACIONES Y PROCESOS” OBJETIVO GENERAL Diferenciar las operaciones y los procesos unitarios, así como realizar procedimientos experimentales para manipular materiales de laboratorio. OBJETIVOS PARTICULARES › Identificar los procedimientos y materiales adecuados para cada experimento. › Realizar las secuencias experimentales para diferenciar el manejo de material en las operaciones y en los procesos unitarios. › Valorar el orden y la limpieza en las actividades experimentales INTRODUCCIÓN. La mayor parte de los procesos de la industria química están compuestos de una serie de Operaciones Unitarias y de Procesos Unitarios. Operaciones Unitarias Son operaciones físicas para producir los cambios necesarios en las propiedades físicas de los materiales, por ejemplo, en su temperatura, presión o cambio de estado. En otras palabras, son operaciones de transporte, adecuación y/o transformación física de la materia. El número de estas operaciones básicas no es muy grande y generalmente sólo algunas de ellas intervienen en un proceso determinado.

Flujo de fluidos

OPERACIONES UNITARIAS

•

Transferencia de calor

Evaporación

Secado

Destilación

Flujo o transporte de cualquier fluido de un punto a otro (tuberías, bombas, compresores) por adición de energía. Transferencia de energía en forma calor de una fuente de energía de cierta temperatura a otra de menor temperatura. Es un caso de transferencia de calor, que consiste en el paso gradual de una sustancia del estado líquido hacia el estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial. Ocurre solamente entre la superficie del líquido y del gas. Separación o eliminación de líquidos volátiles (casi siempre agua) de materiales sólidos.

Separación de los componentes de una mezcla líquida por medio de calor basada en las diferentes temperaturas de ebullición, presiones de vapor o volatilidades de las substancias. 2

OPERACIONES UNITARIA

Absorción

Separación de un componente de una mezcla gaseosa por absorción en un líquido.

Adsorción

Separación de un componente de una corriente líquida o gaseosa que es adsorbido por un adsorbente sólido.

Separación por membrana

Separación de un compuesto con una barrera física llamada membrana permeable a ese compuesto y no permeable a otros.

Extracción líquido-líquido

El soluto de una solución líquida se separa poniéndolo en contacto con otro disolvente líquido que es relativamente inmiscible en la solución.

Extracción líquido-sólido

Extracción de la materia soluble de una mezcla de sólidos mediante un disolvente líquido.

Cristalización

Separación de un soluto (NaCl) de una solución líquida por precipitación.

Separaciones físicomecánicas

Separación de sólidos, líquidos o gases por medios mecánicos, como la filtración, sedimentación y reducción de tamaño de partícula. Por lo general se clasifican como operaciones unitarias individuales.

Filtración

Separación de las partículas sólidas en suspensión en un fluido, mediante el paso forzado a través de un medio filtrante sobre el que se depositan los sólidos.

Centrifugación

Procedimiento de separación por efecto de una fuerza centrífuga de líquidos mezclados o de partículas sólidas en suspensión en un líquido.

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Se usa para reducir el tamaño de sólidos duros y que sean más manejables.

Disolución

Mezcla de dos o más componentes.

Agitación

Movimientos turbulentos en un fluido mediante dispositivos mecánicos. Se emplea para acelerar ciertas operaciones como la extracción, la disolución, el mezclado y la absorción.

Decantación

Separación por inclinación del recipiente que contiene la mezcla de compuestos no miscibles.

Precipitación

Aparición de la fase sólida en el seno de una disolución. Se produce cuando la concentración de soluto supera la máxima posible.

Procesos Unitarios Son reacciones químicas bien definidas, cuyo estudio incluye el mecanismo de reacción. Es la reacción de sustitución de un átomo de H en un hirocarburo (HC) Halogenación para sustituirlo por un átomo de de compuestos halógeno como Cl, BR, I y F. orgánicos PROCESOS UNITARIOS

•

Trituración

Combustión

Consiste en quemar un compuesto orgánico (carbón, aceite, metano, propano, butano u otro combustible) para obtener calor como producto de la reacción, y bióxido y monóxido de carbono. Si en los productos de reacción se obtiene monóxido de carbono en altas concentraciones, indica que el proceso de combustión no sé está llevando a cabo en forma adecuada, siendo necesario modificar la relación combustible/comburente, con el fin 4

Nitración

Electrólisis

Hidrogenación

Polimerización

de minimizar el contenido de monóxido de carbono por economía y seguridad. Proceso por el cual se efectúa la unión del grupo nitro (NO2) a un átomo de carbono, generalmente por sustitución de uno de hidrógeno. Productos: Derivados de la celulosa, explosivos, nitrobenceno, nitrotolueno, nitrofenoles, nitrocelulosa, etc. Proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de electricidad. Ciertas sustancias como los ácidos, hidróxidos, sales y algunos óxidos metálicos disueltos son conductores de electricidad y se descomponen con el paso de corriente eléctrica.

Es la adición de átomos de hidrógeno en un compuesto orgánico, fundamentalmente en las dobles o triples ligaduras (generalmente se requiere un catalizador). Por ejemplo: hidrogenación de aceite de soya, cártamo, girasol, etc., y para producir manteca vegetal o grasas sólidas. Los aceites son mezclas de ácidos grasos. Es el proceso por el cual se forman productos de alto peso molecular (polímeros) a partir de monómeros (polimerización por adición). La polimerización también se puede llevar a cabo haciendo reaccionar ácidos carboxílicos con polialcoholes, en donde se produce el polímero y agua como subproducto, a este tipo de polimerización se le denomina policondensación.

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Neutralización

Pirólisis

Sulfonación

Fermentación

•

La reacción entre un ácido y una base se denomina neutralización. Según el carácter del ácido y de la base reaccionante se distinguen cuatro casos: • ácido fuerte + base fuerte • ácido débil + base fuerte • ácido fuerte + base débil • ácido débil + base débil La pirolisis es una degradación térmica de una sustancia en ausencia de oxígeno, por lo que dichas sustancias se descomponen mediante calor, sin que se produzcan las reacciones de combustión Es el proceso mediante el cual un sustrato orgánico que cuenta con un átomo de carbono u oxígeno en capacidad de donar electrones, reacciona con un agente sulfonante como el SO3 para obtener un sulfonato. La fermentación es un proceso catabólico que transforma las moléculas mediante una oxidación incompleta, dando como resultado un compuesto orgánico y la generación de energía química. Dicho proceso tiene lugar en un ambiente anaeróbico, lo que quiere decir que se realiza en total ausencia de oxígeno.

Diagrama de bloques Un diagrama de bloques es una representación sencilla de un proceso de producción industrial. En él, cada bloque representa una operación o una etapa completa del proceso. En el diagrama de bloques cada una de las operaciones unitarias se representa como un bloque, sobre el que se pueden consignar algunas de las características de la operación (pH, temperatura, presión, etc.) e incluso aquella información que se considere relevante (razón másica de las diferentes corrientes, rendimientos, etc). Los bloques van unidos por flechas que representan flujos de materia, siendo conveniente reflejar al lado de cada flecha todos los datos conocidos sobre la corriente en cuestión.

•

Diagrama de flujo Un diagrama de flujo es una representación visual de la secuencia de pasos y decisiones que se necesitan dar para realizar un proceso. Cada paso de la secuencia se destaca dentro de la forma del diafragma. Los pasos se encuentran unidos entre sí mediante líneas y flechas direccionales. Esto permite que cualquier 6

persona que visualice el diagrama de flujo siga el proceso lógico desde el comienzo hasta el final del mismo. ACTIVIDADES PREVIAS. • Esquematiza con ilustraciones o dibujos las palabras escritas en negritas en la introducción. Se encuentra de la página 3 a la 6. •

Elabora el diagrama de bloques del procedimiento que vas a realizar en el laboratorio, indicando el nombre de la operación o proceso que se efectuará.

En un tubo de ensaye, coloca 1.5 ml de solución de nitrato de plomo (II) (Operación unitaria)

Determina el carácter alcalino (básico) o acido de la solución mediante el uso de papel tornasol (Litmus). Tomar en cuenta que si el papel Litmus cambia de rosa a azul la solución es básica y si cambia de azul a rosa la solución es acida.

Añade diez gotas de agua destilada para diluir la solución hasta un volumen aproximado de 2.0 ml. (Operación unitaria).

(Operación unitaria)

Adiciona solución acuosa de acido clorhídrico hasta la precipitación completa. (Proceso unitario) Pb(NO3)2(ac) + HCl(ac) a PbCl2(s) + HNO3(ac)

Al rubo de ensayo que tiene el precipitado agrégale 1.0 mL de agua acidulada, la cual servirá como agua de lavado para eliminar impurezas (Operación unitaria)

Dejar reposar la solución para que el precipitado se asiente en el fondo del tubo de ensaye (Operación unitaria)

Nuevamente deja reposar o centrifuga para decantar el líquido execdente, procurando evitar que se arrastre algo del precipitado (Operación Unitaria)

Decanta el liquido en otro tubo de ensaye y después verterlo en el recipiente de desechos ácidos para su neutralización y disposición segura. (Operación unitaria).

Con la varrilla de vidrio, toma una pequeña muestra del precipitado y colocola entro tubo limpio y seco. (Operación unitaria)

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Añade a este tubo solución acuosa de ácido nítrico, gota a gota, hasta la total disolución del precipitado, conforme la reacción: (Proceso unitario). PbCl2 + HNO3(ac) → Pb(NO3)2(ac) + HCl(ac)

Agregar una gota de fenolftaleína, si no observas el vire de incoloro a fucsia, es necesario adicionar gota a gota solución acuosa de hidróxido de sodio hasta que observes el cambio. (Operación unitaria).

Somete el contenido de este tubo de ensaye hasta evaporación a sequedad, mediante su calentamiento con la flama del mechero.

Disuelve el residuo con 1.5 ml de agua destilada. (Operación unitaria).

(Operación unitaria)

Agrega cinco gotas de solución de tioacetamida y calienta en baño maría hasta observar la formación de un precipitado negro. Pb(NO3)2(ac) + H2O + CH3CSNH2(ac) → PbS(s) + CH3CONH2(ac) + HNO3(ac) (Proceso unitario).

• Dibuja cinco esquemas que identifiquen a operaciones o procesos unitarios, cuando se realiza un diagrama de flujo a nivel de diseño industrial.

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DIAGRAMA DE FLUJO

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ACTIVIDADES EN EL LABORATORIO 1. En un tubo de ensaye, coloca 1.5 mL de solución de nitrato de plomo (II). (Operación Unitaria) 2. Determina el carácter alcalino (básico) o ácido de la solución mediante el uso de papel tornasol (Litmus). Tomar en cuenta que si el papel Litmus cambia de rosa a azul la solución es básica y si cambia de azul a rosa la solución es ácida. (Operación Unitaria) 3. Añade diez gotas de agua destilada para diluir la solución hasta un volumen aproximado de 2.0 mL. (Operación Unitaria) 4. Adiciona solución acuosa de ácido clorhídrico hasta la precipitación completa. (Operación Unitaria) 5. Deja reposar la solución para que el precipitado se asiente en el fondo del tubo de ensaye. (Proceso Unitario) Pb(NO3)2(ac) + HCl(ac) → PbCl2(s)↓ + HNO3(ac) 6. Decanta el líquido en otro tubo de ensaye y después verterlo en el recipiente de desechos ácidos para su neutralización y disposición segura. (Operación Unitaria) 7. Al tubo de ensaye que tiene el precipitado agrégale 1.0 mL de agua acidulada, la cual servirá como agua de lavado para eliminar impurezas. Nuevamente deja reposar o centrifuga para decantar el líquido excedente, procurando evitar que se arrastre algo de precipitado. (Operación Unitaria) 8. Con la varilla de vidrio, toma una pequeña muestra del precipitado y colócala en otro tubo de ensaye limpio y seco. (Operación Unitaria) 9. Añade a este tubo solución acuosa de ácido nítrico, gota a gota, hasta la total disolución del precipitado, conforme la reacción: (Proceso Unitario) PbCl2 (s) + HNO3(ac) → Pb(NO3)2 (ac) + HCl (ac) 10. Somete el contenido de este tubo de ensaye hasta evaporación a sequedad, mediante su calentamiento con la flama del mechero. (Operación Unitaria) 11. Disuelve el residuo con 1.5 mL de agua destilada .(Operación Unitaria) 12. Agrega una gota de fenolftaleína, si no observas el vire de incoloro a fucsia, es necesario adicionar gota a gota solución acuosa de hidróxido de sodio hasta que observes el cambio. (Operación Unitaria) 13. Agrega cinco gotas de solución de tioacetamida y calienta en baño maría hasta observar la formación de un precipitado negro. (Proceso Unitario) Pb(NO3)2(ac) + H2O(l) + CH3CSNH2(ac) → PbS↓ + CH3CONH2(ac)+ HNO3(ac)

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REPORTAR EN LA BITÁCORA › Tabla con las observaciones de cada procedimiento. Pasos del Observación experimento Se trata de una operación unitaria ya que se deposita el nitrato de plomo (III) en el tubo de 1 ensaye. Se trata de una operación unitaria ya que solo se determina si la solución es ácida o base de 2 acuerdo con el tono el papel indicador, el cual se torna rosa por lo tanto es un ácido En este caso solo se agrega agua destilada y no afecta la estructura química por lo tanto es 3 una operación unitaria. La mezcla resultante del nitrato de plomo con el ácido clorhídrico da un producto 4 blanquecino con un precipitado que es el cloruro de plomo. 5 Nuevamente es una operación puesto que solo se deja reposar la sustancia y no sucede nada, Se separa la mezcla de dos tubos de ensayo debido a las dos fases que se formaron en el 6 anterior paso. 7 Solo se trato de eliminar impurezas y no hubo ninguna transformación química. 8 Solo se hizo el transporte de una nuestra del cloruro de plomo. Ocurre una reacción química ya que se agrega una nueva sustancia y al mismo tiempo se 9 agito para acelerar la reacción. 10 Solo se aplica calor y se deja a secar, por lo tanto no ocurre ninguna reacción química. 11 No existió ningún cambio, solo aumento el volumen de la sustancia. La fenolftaleína como indicador, solo nos indica que tipo de sustancia se tiene una base o 12 ácido, la cual se torno de color rosa Se llevó a cabo una reacción química al agregar tioacetamina y que al ser calentada ser 13 torna de un precipitado negro. › Listado de las operaciones y procesos unitarios que se realizaron durante el desarrollo experimental. Señalado en diagrama de bloques, página 7 y 8. › Ecuaciones balanceadas correspondientes a los procesos realizados. Paso Balanceo

Pb(NO3)2(ac) + 2 HCl(ac) → PbCl2(s) +2 HNO3(ac) 4 9

PbCl2 (s)

+

2HNO3(ac)

→ Pb(NO3)2 (ac)

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Pb(NO3)2(ac) + H2O(l) + CH3CSNH2(ac) → PbS(s) 2HNO3(ac)

+ 2 HCl (ac) + CH3CONH2(ac) +

OBSERVACIONES

En la tabla se reportan todas las observaciones dadas en cada paso. CONCLUSIÓN

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Es importante identificar y diferenciar entre el proceso y operación unitaria, ya que puede haber confusiones entre ambos términos, el proceso unitario se entiende cuando ocurre un cambio mientras que la operación unitaria es distintos métodos físicos en los que la sustancia se puede someter a cambios físicos sin que afecten a su composición, sabiendo esto nos permite identificarlos con mayor facilidad y al mismo tiempo aplicarlos e n los diagramas de los experimentos que se llevan a cabo. Por otro lado los diagramas nos permiten representar los pasos que se están efectuando dentro del experimento, al mismo tiempo permite conocer que instrumentos o máquina se están usando como las operaciones y procesos, al mismo tiempo la distinta simbología que se usa para representar ciertas máquinas empleadas. Una situación muy curiosa durante la experimentación fue cuando teníamos que identificar qué pasos pueden operaciones unitarias y cuales no, debido a que ciertas situaciones al agregar ciertas sustancias no cambian nada químicamente, como pueden ser los indicadores. En conclusión, fua interesante y nutritiva práctica más que demás de identificar el proceso y operación unitaria, nos permite ver como representarlos y al mismo tiempo la importancia de emplearlos en la vida profesional del ingeniero químico. REFERENCIAS • • • • • • •

J. Costa Lopez. Curso de Ingeniería Química. Editorial reverte. Barcelona. 1991. Alan F. Foust. Principios de operaciones unitarias. Cia, editorial continental, S.A. de C.V., México. 1994. V. Isachenko: Transmisión de calor. Marcombo, boixareu editores, Barcelona. 1990. B. V. Karlekar. Transferencia de calor. Mc graw-Hill México. Donald Q. Kern. Procesos de transferencia de calor. Cia editorial continental, S.A. de C.V. México. 1985. Robert E. Treybal. Operaciones de transferencia de masa. Mc graw-Hill México. 1996. Frank M. White. Mecánica de fluidos. Mc graw-Hill México. 1996.

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