Operaciones unitarias de ingenieria quimica

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1
OPERACIONES DE INGENIERIA QUIMICA
¿Qué es ingeniería química?
Es la aplicación de los principios de las ciencias físicas, químicas y matemáticas, conjuntamente
con los principios derivados de la economía, como de las relaciones humanas en campos que
pertenecen directamente a los procesos químicos y equipos de procesos con los cuales se trata la
materia prima para efectuar cambios en su composición, estado y energía para producir para el
hombre.
¿Qué son procesos químicos?
Es el conjunto de pasos y técnicas que realizan cambios en la composición química o bien cambios
físicos en las materias que se prepara se procesa luego se separa o purifica.
El proceso químico realizado en cualquier escala puede dividirse en una serie de acción unitaria a
la que se llama también operación unitaria.
OPERACIONES UNITARIAS
Un método muy conveniente para organizar la materia de estudio que abarca la ingeniería química
se basa en dos hechos:
Aunque el número de procesos individuales es muy grande, cada uno de ellos puede dividirse en
una serie de etapas, denominadas operaciones, que se repiten a lo largo de los distintos procesos.
Las operaciones individuales poseen técnicas comunes y se basan en los mismos principios
científicos. Por ejemplo, en la mayor parte de los procesos es preciso mover sólidos y fluidos,
transmitir calor u otras formas de energía desde una sustancia a otra, y realizar operaciones tales
como secado, molienda, destilación y evaporación.
El concepto de operación unitaria es el siguiente: mediante el estudio sistemático de estas
operaciones en sí -operaciones que evidentemente constituyen la trama de la industria y los
procesos- se unifica y resulta más sencillo el tratamiento de todos los procesos.
Los aspectos estrictamente químicos de los procesos se estudian dentro de un campo paralelo de
la ingeniería química denominado cinética de reacción, o ingeniería de las reacciones químicas.

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Las operaciones básicas se utilizan ampliamente en la realización de las etapas físicas de
preparación de los reactantes, separación y purificación de los productos, recirculación de los
reactantes no convertidos y control de la transferencia de energía hacia o desde los reactores
químicos.
SOLIDOS:
Un cuerpo sólido es uno de los cuatro estados de agregación de la materia más conocidos y
observables (siendo los otros gas, líquido y el plasma). Se caracteriza porque opone resistencia a
cambios de forma y de volumen. Sus partículas se encuentran juntas y correctamente ordenadas.
Las moléculas de un sólido tienen una gran cohesión y adoptan formas bien definidas.
CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES DE LOS SOLIDOS:
CARACTERISTICAS DE LOS SOLIDOS:
 Forma definida:
Tienen forma definida, son relativamente rígidos y no fluyen como lo hacen los gases y los
líquidos, excepto a bajas presiones extremas.
 Volumen definido:
Debido a que tienen una forma definida, su volumen también es constante.
 Compresibilidad:
Los sólidos no pueden comprimirse.
 Fuerzas Intermoleculares:
En un solido las fuerzas intermoleculares que predominan son la de ATRACCIÓN.

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PROPIEDADES de los sólidos:
 ELASTICIDAD:
Un sólido recupera su forma original cuando es deformado. Un resorte es un objeto en que
podemos observar esta propiedad.
 Fragilidad:
Un sólido puede romperse en muchos pedazos (quebradizo).
 Dureza:
Un sólido es duro cuando no puede ser rayado por otro más blando. El diamante es un sólido
con dureza elevada.
 Alta densidad:
Los sólidos tienen densidades relativamente altas debido a la cercanía de sus moléculas por
eso se dice que son más “pesados”
 Flotación:
Algunos sólidos cumplen con esta propiedad, solo si su densidad es menor a la del liquido
en el cual se coloca.
 Inercia:
Es la dificultad o resistencia que opone un sistema físico o un sistema social a posibles
cambios, en el caso de los sólidos pone resistencia a cambiar su estado de reposo.

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 Tenacidad:
En ciencia de los Materiales la tenacidad es la resistencia que opone un material a que se
propaguen fisuras o grietas.
 Maleabilidad:
Es la propiedad de la materia, que presentan los cuerpos a ser labrados por deformación. La
maleabilidad permite la obtención de delgadas láminas de material sin que éste se rompa,
teniendo en común que no existe ningún método para cuantificarlas.
 Ductilidad
La ductilidad se refiere a la propiedad de los sólidos de poder obtener hilos de ellos.
PROPIEDADES DE LOS SOLIDOS:
Los sólidos tienen una forma y volumen definidos y que pueden clasificarse en cristalinos y amorfos.
Además de clasificarse en cristalinos y amorfos, los solidos también pueden agruparse en metálicos
y no metálicos.
CARACTERIZACION DE LAS PARTICULAS:

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La caracterización de partículas y conjuntos de partículas es una operación metalúrgica muy
importante en el procesamiento de minerales (concentración de minerales, hidrometalurgia, piro
metalurgia), ya que el tamaño se usa como una medida de control para la conminación que tiene
como finalidad la liberación de las especies valiosas de las no valiosas contenidas en una mena.
DENSIDAD: las partículas de sólidos homogéneos tienen la misma densidad que el material de
origen, mientras que cuando son sólidos heterogéneos, al romperse, presentan diferentes
densidades entre sí y con el sólido de origen.
FORMA DE LAS PARTÍCULAS: la forma de las partículas irregulares se define en función de un
factor de forma λ (θ, esfericidad) el cual es independiente del tamaño de la partícula. Si se define
Dp como "diámetro de la partícula" que es la longitud de la dimensión de definición, el factor de
forma está relacionado con éste valor. El diámetro de la partícula se usa para formular la ecuación
genérica del volumen de la Partícula y de la superficie de la partícula. Se trabaja con una partícula
en forma de cubo y luego se generaliza llegando a:
El volumen de la partícula (Vp) es: Vp = a Dp3 (I)
Y la superficie de la partícula (Sp) es: Sp = 6bDp2(II)
Con a y b como constantes que definen la forma de la partícula.
Con la relación volumen-superficie de la partícula, queda:
Este factor de forma λ indica cuan cerca estα la forma de la partícula en estudio de las partículas
de formas regulares como la esfera, el cubo y el cilindro cuya altura es igual al diámetro con λ=1. A
continuación se muestra una tabla contentiva de algunos factores de forma de las partículas.
Partículas:
Partículas regulares:
 Esferas
 Cubos
 Cilindros
Partículas Irregulares:

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 EXFOLIACION:
El proceso de exfoliación produce la separación, en una roca grande, de placas curvas a manera de costras.
Este proceso origina unas colinas grandes abovedadas, llamadas domos de exfoliación.
TIPOS DE EXFOLIACIÓN:
 Exfoliación basal o hendidura pinacoidal se produce en paralelo a la base de un cristal.
 Exfoliación cúbica, se produce en paralelo a las caras de un cubo de cristal con una simetría cúbica.
 Exfoliación octaédrica, se produce formando formas octaédricas de un cristal con simetría cúbica
 Exfoliación dodecaédrica, se produce formando dodecaedros de un cristal con simetría cúbica.
 Exfoliación romboédrica, ocurre paralela a las caras de un romboedro. La calcita y otros Minerales
carbonatos exhiben exfoliación romboédrica perfecta.
 La exfoliación prismática es paralela a un prisma vertical. La cerusita, tremolita y espodumena exhiben
exfoliación prismática.
 Esfericidad
Ѱ =
𝐴0
𝐴 𝑝
=
Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎
Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒
Ѱ =
𝐴0
𝐴 𝑃
[ 𝑉0 = 𝑉𝑝 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎
La esferecidad siempre va ser menor que 1.
Ѱ < 1
Determinación de la esferecidad:
ESFERA CUBO
𝑉0 =
𝜋𝐷0
3
6
𝑉𝑐 = 𝐿3
𝑉𝑝 ≈ 𝐷 𝑝
3
𝐴0 = 𝜋𝐷0
2 𝐴 𝑐 = 6 𝐿2
𝐴 𝑝 = 𝐷 𝑝
2
𝜋 = 6𝑎 = 6𝑏
Reemplazamos:

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7
𝑉0 =
6𝑎𝐷0
3
6
= 𝑎𝐷0
3
𝑉𝑝 = 𝑎𝐷 𝑝
3
𝐴0 = 6𝑏𝐷0
2
𝐴 𝑝 = 6𝑏𝐷 𝑝
2
Relacionando:
𝑉𝑝
𝐴 𝑝
𝑉𝑝
𝐴 𝑝
=
𝑎𝐷 𝑝
3
6𝑏𝐷 𝑝
2
=
𝐷 𝑝
3
6 (
𝑏
𝑎
) 𝐷 𝑝
2
→ [
𝑏
𝑎
= 𝜆 ( 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐹𝑜𝑟𝑚𝑎)
𝜆 > 𝑌
Ѱ =
1
𝜆
Ѱ < 1
𝑉𝑝
𝐴 𝑝
=
𝐷 𝑝
3
6𝜆𝐷 𝑝
2
⬌ 𝜆 =
𝐷 𝑝
3
𝐴 𝑝
6𝑉𝑝 𝐷𝑝
2
𝜆 =
𝐷 𝑝 𝐴 𝑝
6𝑉𝑝
𝜆 =
𝐷 𝑝 𝐴 𝑝
6𝑉𝑑
𝜆 =
6𝑉𝑝
𝐷 𝑝 𝐴 𝑝
Nota:
A y b llamados constantes geométricas que dependen de la forma de la partícula.

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3) TAMAÑO DE LAS PARTICULAS:
Se determina:
 Por la posición del observador.
 Por la segunda dimensión más grande.
 Por análisis gravimétrico
 Por sedimentación.
 Otros
ANALISIS GRAVIMETRICO:
Tamizador = tamiz / malla
SERIO DE TAMICES:
 Tiler mas utilizada
 ASTM

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TAMIZ. DEFINICIÓN
Un tamiz es una malla metálica constituida por barras tejidas y que dejan un espacio entre sí por
donde se hace pasar el alimento previamente triturado.
Las aberturas que deja el tejido y, que en conjunto constituyen la superficie de tamizado, pueden
ser de forma distinta, según la clase de tejido. Las mallas cuadradas se aconsejan
para productos de grano plano, escamas, o alargado.
SERIEDETAMICESTYLER
Esta es una serie de tamices estandarizados usados para la medición del tamaño y distribución de
las partículas en un rango muy amplio de tamaño.
Las aberturas son cuadradas y se identifican por un número que indica la cantidad de aberturas por
pulgada cuadrada.
Una serie de tamices patrón muy conocidas es la serie de Tamices Tyler.
Esta serie se basa en la abertura del tamiz 200, establecida en 0,0074cm y enuncia que "el área de
la abertura del tamiz superior es exactamente el doble del área de la abertura del tamiz inmediato
inferior.

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Matemáticamente nos queda:
Una forma de expresar los tamices es, por ejemplo, 20/28 que indica que los sólidos pasan por el
tamiz número 20 y se retienen en el tamiz 28. En el mismo orden de ideas, si solo se nombra el
tamiz con un número es decir, 28 solo significa que los sólidos se retienen en ese tamiz.
DETERMINACION DEL DIAMETRO:
1. Diámetro de la fracción.
10
14
28

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𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜1=
− 10 𝑀+(+14 𝑀)
2
𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜1 = √10𝑀 𝑥 14𝑀
𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜2 =
−14𝑀 + (+28𝑀)
2
𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜3 =
−28𝑀 + (+35𝑀)
2
2. Diámetro Medio de la Mezcla:
𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑀𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = Ø𝐷1+ Ø𝐷2+ Ø𝐷3+ Ø𝐷4+Ø 𝑛 𝐷 𝑛

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PROCESAMIENTO DE DATOS DEL ANALISIS GRANULOMETRICO:
# Mallas D (um) 𝐷 𝑚 Peso
retenido
% AR AP
+8 150 150 + 140
2
= 145
40 30 30 100 – 30 =
70
+10 140 50 20 50 100 – 50
=50
+14 57.5
+28
+35
+100
+150
+200 74
-200
 Diámetro del tamiz (um) (𝐷𝑡 )
 Diametro medio (um) (𝐷 𝑚)
 Peso retenido sobre la malla (𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑟𝑒𝑡)
 Porcentaje en peso (g) (%)
 Acumulado Retenido (AR)
 Acumulado Pasante (AP)
AR + AP = 100
Graficar: AP = f (𝐷 𝑚)

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TABLA DE DATOS GRAVIMETRICOS:
En la siguiente tabla de datos gravimétrico. Calculese lo siguiente:
a) Diametro de la particula
b) Fraccion Acumulada retenida sobre los micrones.
c) Fraccion del diámetro del 80 % acumulado básico.
Malla 𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 %
Resistencia
AR AP
200 74 74 2.9 2.9 7.1
270 53 63.5 16.3 19.2 80.8
370 44 48.5 7.8 27 73
400 38 41.0 6.7 36.7 66.3
-400
Diámetro tamiz (lo que no ha pasado)
Diámetro de la mezcla.
AP + AR = 100
PERFIL DE GRAFICA:
Linea recta en Ley – Ley con APVsDm
m=
𝑌2− 𝑌1
𝑋2−𝑥1
;) m= alfa

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14
alfa =
𝐿𝑜𝑔 𝑎𝑝2−𝐿𝑜𝑔 𝐴𝑝1
log 𝐷𝑚2−log 𝐷𝑀𝑍
EJERCICIO PARA GRAFICAR Y CALCULAR:
MALLA
TYLER
PESO
RETENIDO
DIAMETRO
DEL TAMIZ
(Dt)
Dm %ØR AR AP
14 96.01
28 67,38
ME 55,13
H
Línea recta :
M = Y2 – Y1
X2 – X1
M = α
α = LogA P2 – LogA P1
Log Dm2 – Log Dm1
Log A P2 – Log A P1 = α (Log Dm – LogD1)
Log A P2 – Log A P1 = α (LogDm2 – αLog Dm1)
- Log A P1 = - Log A P2 + α LogDm2 – αLogDm1
Log A P1 = Log A P2 + α Log Dm1 – α Log Dm2
Log A P1 = αLog Am1 + (Log A P2/Log Dm ) α (Log A P2/Log Dm ) α = β
Log A P1 = α Log D1 + β
Log A P1 = β + α / m2 D2

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15
Para hallar el diámetro m :
Log A P1 = α Log Dm1 + LogA P2 - α Log D2
Log A P1 = Log AP2 + Log (D1/D2) α
A P1 = AP2 + (D2/D1) α
Regresion Potencial:
Dm1 / Dm2 = (AP1 / AP2) α
Dm1 = Dm2 (AP1 / AP2)
De la siguiente tabla de datos del análisis granulométrica calcular:
a) El diámetro de la particula de mayor tamaño
b) Calcular la fracción acumulado retenido sobre 10 micrones
c) El diámetro del 80% acumulado pase

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16
x(D.media) y(A.Retenido)
74 2.9
63.5 19.2
48.5 27
41 33.7
x(D.media) y(Acum.pasing)
74 97.1
63.5 80.8
48.5 73
41 66.3
y = -0.0017x3
+ 0.2812x2
- 15.648x + 321.72
R² = 1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Acumuladoretenido
Diametro medio
milimetrada D.media VS A.retenido
y(A.Retenido)
x(D.media)
Poly. (y(A.Retenido))
y = 0.0017x3 - 0.2812x2 + 15.648x - 221.72
R² = 1
60
65
70
75
80
85
90
95
100
40 45 50 55 60 65 70 75 80
acumuladopasing
Diametro media
milimetrado D.media VS A.pasing
y(Acum.pasing)
x(D.media)
Poly. (y(Acum.pasing))

17. OPERACIONES DE INGENIERIA QUIMICA
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17
x(D.media) y(A.Retenido)
74 2.9
63.5 19.2
48.5 27
41 33.7
x(D.media) y(Acum.pasing)
74 97.1
63.5 80.8
48.5 73
41 66.3
y = -0.0017x3
+ 0.2812x2
- 15.648x + 321.72
R² = 1
1
10
100
40 60 80
AcumuladoRetenido
Diametro media
SemilogaritmicoD.mVS A.R
y(A.Retenido)
x(D.media)
Poly. (y(A.Retenido))
y = 0.0017x3
- 0.2812x2
+ 15.648x - 221.72
R² = 1
1
10
100
40 55 70 85
AcumuladoPassing
Diametro media
SEMILIGARITMICAD.medVS A.passing
y(Acum.pasing)
x(D.media)
Poly. (y(Acum.pasing))

18. OPERACIONES DE INGENIERIA QUIMICA
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18
x(D.media) y(A.Retenido)
74 2.9
63.5 19.2
48.5 27
41 33.7
x(D.media) y(Acum.pasing)
74 97.1
63.5 80.8
48.5 73
41 66.3
y = -0.0017x3
+ 0.2812x2
- 15.648x + 321.72
R² = 1
1
10
100
1 10 100
Acumuladopassing
Diametro Media
logaritmico D.media VS A.Retenido
y(A.Retenido)
x(D.media)
Poly. (y(A.Retenido))
y = 0.0017x3
- 0.2812x2
+ 15.648x - 221.72
R² = 1
60
40
Acumuladopassing
Diametro media
logaritmicaD.med VS A.passing
y(Acum.pasing)
x(D.media)
Poly. (y(Acum.pasing))

19. OPERACIONES DE INGENIERIA QUIMICA
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19
TABLAS Y GRAFICAS DEANÁLISIS GRANULOMETRICA
mallaTyler
peso
retenid
diam.De
Tam D (medio) AR %D.Retenido AP
14 3 1168 1168 3.99 3.99 96.01
28 21.5 589 878.5 32.62 32.62 67.38
35 9.2 417 503 44.87 12.25 55.13
48 11 295 356 59.52 14.65 40.48
65 10 208 251.5 72.84 13.32 27.16
100 11.4 147 177.5 88.02 15.18 11.98
150 5.8 104 125.5 95.74 7.72 4.26
200 3.2 74 89 100 4.26 0
75.1 100
y = -2E-07x3
+ 0.0004x2
- 0.298x + 126.88
R² = 0.9958
0
20
40
60
80
100
80
280
480
680
880
1080
AcumuladoRetenido
Diametro Medio
MILIMETRADO Dm VS AR
Dm vs AR
Poly. (Dm vs AR)

20. OPERACIONES DE INGENIERIA QUIMICA
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20
y = 2E-07x3
- 0.0004x2
+ 0.298x - 26.883
R² = 0.9958
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
80
180
280
380
480
580
680
780
880
980
1080
AcumulacionPassing
Diametro medio
MILIMETRADO Dm VS AP
Dm vs AP
Poly. (Dm vs AP)
y = -2E-07x3
+ 0.0004x2
- 0.298x + 126.88
R² = 0.9958
1
10
100
80 485 890
AcumulacionRetenida
Diametro medio
Semilogaritmica D.m VS A.R
Semilogaritmica D.m VS A.R
Poly. (Semilogaritmica D.m VS
A.R)

21. OPERACIONES DE INGENIERIA QUIMICA
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21
y = 2E-07x3
- 0.0004x2
+ 0.298x - 26.883
R² = 0.9958
1
10
100
80
580
1080
AcumulacionPassing
Diametro medio
Semilogaritmica D.m VS A.P
Semilogaritmica D.m VS A.P
Poly. (Semilogaritmica D.m
VS A.P)
y = -2E-07x3
+ 0.0004x2
- 0.298x + 126.88
R² = 0.9958
1
10
100
1 10 100 1000
logaritmica D.m VS A.R
logaritmica D.m VS A.R
Poly. (logaritmica D.m VS
A.R)

22. OPERACIONES DE INGENIERIA QUIMICA
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22
¿Qué es una regresión?
En estadística, el análisis de la regresión es un proceso estadístico para la estimación de
relaciones entre variables. Incluye muchas técnicas para el modelado y análisis de diversas
variables, cuando la atención se centra en la relación entre una variable dependiente y una o más
variables independientes.
y = 2E-07x3
- 0.0004x2
+ 0.298x - 26.883
R² = 0.9958
1
10
100
1 10 100 1000
AcumulacionPassing
Diametro media
logaritmica D.m VS A.P
logaritmica D.m VS A.P
Poly. ( logaritmica D.m VS
A.P)

23. OPERACIONES DE INGENIERIA QUIMICA
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23
Teoría de Bond:
La energía consumida para reducir el tamaño del 80% de su material es inversamente
proporcional a la raíz cuadrada del tamaño del 80% , este último igual a la abertura del tamiz
(microneo) que deja pasar el 80% en peso de las partículas.
Para realizar el desarrollo de su modelo matemático lo fundamenta a partir de 2 asunción
empírica.
1.- El consumo de energía para reducir el tamaño es proporcional al volumen de las partículas.
E ~ Dp3
2.- El consumo de energía para reducir de tamaño es proporcional al área de las partículas.
E = E ~ D2p
Dp3 . Dp2
E = Dp5/2 = 1/√Dp
Por otra parte :
E = √S/V m2/m3 = √6Y/Dp
E = √6Y / √Dp
E = K / √ Dp
Aqui se reemplaza las D80 de la clase anterior:
W = Wi (10/√Dp – 10/√Df) : Ecuacion de la energía de Bond
Wi : W/ (Kw - hora ) / Tonelada corta
Wi = W/ (10/Dp – 10/ Df) : Consumo energético
W = Cos θ V.I√3 (monofasico)
= √2 Cos θ V.I √o-3 (trifasico)