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Solucionario Henley Seader Operaciones De Separaci N Por Etapas De Equilibrio En Ing Qu Mica 20
1 OPERACIONES UNITARIAS III Prof. Moira Miranda Bibliografía - Operaciones de separación por etapas de equilibrio Seader/ Henley - Equilibium Stage Separations Wankat - Procesos de separación, Judson King - Operaciones de transferencia de masa Robert Treybal - Problemas de Ingeniería química Ocon/ Tojo 1
4 Por que separar? Hay muchas razones por las cuales queremos sustancias puras. Necesidad de materiales puros para aplicaciones en ingeniería (semiconductores) Necesidad de materiales puros para su procesamiento Necesidad de remover toxinas o compuestos inactivos de una solución Necesidad de muestras ultra-puras como referencias Necesidad de análisis de componentes de una mezcla (ADN) Separación de materia prima en sus componentes (petróleo) Basado en las motivaciones se puede dividir las separaciones en tres áreas: Separaciones analíticas pequeña escala determinación composición ió Separaciones preparativas pequeña escala material ae a recuperación Separaciones industriales gran escala económico Ejemplo: Cromatografía Ejemplo: Centrifugación Ejemplo: Destilación a lista de los diferentes métodos de separación es ilimitada. Por lo tanto este curso hará énfasis en las principales operaciones de separación industrial que utilizan los Ing. Químicos PROCESOS DE SEPARACION El reactor químico es el corazón de cualquier proceso químico materiales Procesos Separación Procesos químicos Procesos Separación productos 10-25% costo total a mayor parte del equipo de una planta química tiene como objetivo la purificación de materias primas, productos intermedios y productos finales 4
5 Descripción básica de las operaciones os procesos de separación involucran diferentes modos de operación: ote o Batch: no hay flujos Continua: Flujos continuos en la entrada y la salida Semi-continua: pausa en los flujos Operaciones son clasificadas como operaciones claves o auxiliares Operación clave: involucra separación o reacción Ejemplos: destilación, reactor, separacion de fases Operaciones auxiliares: no hay cambio en la composición química Ejemplos: bombas, compresores, intercambiadores de calor Diagrama de flujo de bloques indica : as operaciones claves por rectángulos y flujos de un proceso a otro por líneas Diagrama de flujo del proceso indica los procesos por: Símbolos realísticos de los equipos Incluye las operaciones auxiliares Descripción básica de las operaciones Diagrama de flujo de bloques Diagrama de flujo del proceso S 1 P 1 Destilación Destilación condensador total Tanuqe reflujo F 1 2 Reflujo Destilado Feed Etapa alimentación N Boilup Reboiler parcial P 2 S 2 Fondo 5
8 Principales técnicas de separación 5- Separación por agente sólidos fase 1 Alimentación fase 2 Descripción básica de las operaciones Para todas las técnicas, la separación es alcanzada mejorando la transferencia de masa por difusión de ciertas especies relativas a la transferencia de masa de todas las especies. a fuerza y dirección de la transferencia es gobernada por la termodinámica. a separación es gobernada por la transferencia de masa, mientras que el grado de separación es limitado por el equilibrio termodinámico a magnitud de la separación alcanzada entre las fases de los productos para cada especie presente en la alimentación depende del aprovechamiento de las diferencias moleculares, termodinámicas y propiedades de transporte entre las diferentes fases: Propiedades moleculares: Peso molecular lar (difusión gaseosa) Momento dipolar: polar o no polar Carga eléctrica (intercambio iónico) Termodinámicas y de transporte Presión de vapor Solubilidad Difusividad 8
9 Separación por creación o adición de una fase Generalmente la alimentación es una sola fase (gas, liquido o sólido) y es preciso generar una segunda fase antes que pueda llevarse a cabo la separación Esta segunda fase se puede generar por un agente de separación energético (ASE) o un agente de separación material (ASM). Adicionalmente una fase de vapor puede ser creada disminuyendo la presión. a aplicación de ASE implica la transferencia de calor o trabajo hacia la mezcla. Un ASM puede ser parcialmente inmiscible con una o mas especies de la mezcla, o totalmentet t miscible ibl con lamezcla pero alterar selectivamente t las volatilidades de las especies Es necesario que exista un potencial entre las diferentes especies para su distribución en diferentes proporciones, este es controlado por la termodinámica del equilibrio y la velocidad de acercamiento a la composición de equilibrio esta regido por la transferencia de materia en la interfase. OPERACIÓN DE SEPARACIÓN Fase inicial Fase generada. Agente de separación Ejemplo Industrial V Recuperación de Vaporización Reducción íquido Vapor agua a partir de presión de flash agua de mar Trans. Recuperación V H2 Condensación V Vapor íquido de calor N de amoniaco a 2 parcial q (AES) alta presión Evaporación V Trans. íquido Vapor Obtención de De calor q El agente separador se azúcar utiliza para (AES) modificar la volatilidad relativa de los q componentes. Varía Vapor y/o Vapor y Trans. sus coeficientes de Separación de Destilación /V actividad. líquido líquido de calor hidrocarburos a (AES) partir de petróleo Distinta polaridad. Forma un complejo o q puentes de hidrógeno con uno de los q Disolvente Separación de compuestos y lo arrastra hacia el fondo. AMS Vapor y/o Vapor y (AMS) y tolueno de aromático Destilación /V líquido líquido trans. de punto de Un disolvente es tanto más selectivo para extractiva una mezcla cuanto de calor más ebullición fácil próximos sea la q separación de ésta (AES) en su adicionando presencia. fenol 9
13 Proceso de Separación por barreras a destilación y la extracción son operaciones que utilizan gran cantidad de energía. a extracción requiere también la recuperación o purificación del disolvente El interés por nuevos procesos con menor consumo de energía o de materias primas esta incentivando la investigación de nuevas técnicas de separación de especies químicas en una sola fase. os métodos para conseguir estas separaciones están basados en la aplicación de barreras para dar lugar a que las especies se difundan por diferentes velocidades OPERACIÓN DE Fase inicialagente de Método EJEMPO SEPARACIÓN separación separacion INDUSTRIA Presión osmótica: mínima presión necesaria para impedir el paso de las Osmosis inversa iquido moléculas Membrana delgradiente disolvente de Desalinización hacia una solución, a través presión de una paramembrana agua de mar vencer presión osmótica Diálisis iquido Membrana Diferencia Recuperación de de velocidad Sosa cáustica de difusión Ind. Rayón Difusión gaseosa gas Membrana Diferencia de velocidad de difusión Separación Isotopos de uranio 13
15 Recuperación de componentes y pureza de productos os procesos de separación están sujetos a la conservación de la materia. (P) (1) + (2) + (3) + + (n) n (F) i = Σ P n (P) i = ni (1) + n (2) i + n (3) i +.+ n (n) i Fracción de separación del producto i en la corriente j con respecto a la cantidad de i en la alimentación : J ni Fsi = F n i Radio de separación (únicamente para dos corrientes), n RS = n I El factor de separación, SF, define el grado de separación que puede obtenerse con cualquier proceso de separación particular. Este factor, para la separación del componente 1 del componente 2 entre fases I y II, para una simple etapa de contacto, es definido como: C / C SR SF = = C C SR I I II II 1 / 2 2 C = composicion variable, I, II = fases ricas en el componente 1 y 2. SF es generalmente limitado por la termodinámica del equilibrio. Por ejemplo, en el caso de destilación, usando fracción molar como la composición variable y dejando ser la fase I el vapor y fase II el liquido, el valor limite de SF es dado en términos de la relación de equilibrio vapor-liquido (K-valores) como: y / x K y SF = = α = => K = es llamado razon de equilibrio 12, 1 y / x K x SF α es llamado volatilidad relativa 15
1 - Operaciones, equipos y equilibrios Operaciones Unitarias III Programa analítico 1C 2004 1.1 Introducción 1.1.1 Los procesos químicos y las operaciones de separación por transferencia de materia de
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