OPERACIONES UNITARIASIII Clase...

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Universidad de Los AndesFacultad de IngenieríaEscuela de Ingeniería QuímicaDpto. de Operaciones Unitarias y Proyectos

OPERACIONES UNITARIAS III

Clase introductoria

Prof. Yoana Castillo

[email protected]

Web:http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/yoanacastillo/

CONTENIDO

Justificación. Ingeniería Química. Operaciones unitarias en ingeniería química. Contenido del Curso OPE III. Procesos de Separación. Importancia. Características. Clasificación. Factor de Separación.

Repaso de Termodinámica de equilibrio. Equilibrio Líquido-Vapor.

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JUSTIFICACIÓN

¿Para qué nos servirá lo que aprenderemos?

¿Qué conocimientos previos se debe tenerpara entender esta materia?

OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA

ProcesoMateria prima Productos

Acondicionamiento Purificación

… “la aplicación de los principios de las ciencias físicas junto con los principios de economía y relaciones humanas, a campos que atañen en forma directa a los PROCESOS y equipos de procesos en los cuales se trata la materia prima con el fin de modificar su estado, contenido de energía o composición…” [1]

Ingeniería de Procesos

Papel del Ing. Qco:

Seleccionar etapas adecuadas en el orden apropiado para formular un proceso.

Especificar u optimizar condiciones para llevar a cabo el proceso.

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CONTENIDO DEL CURSO OPERACIONES UNITARIAS III

• Destilación.

• Extracción Líquido-Líquido.

• Absorción de gases.

Aplicar ecuaciones de dimensionamiento de equipos.

Aplicación de programas de computación.

PROCESOS DE SEPARACIÓN

Los procesos que ocurren de forma natural son inherentemente de MEZCLADO

El procedimiento inverso se conoce como PROCESOS DE SEPARACIÓN

IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SEPARACIÓN

Producto deseado

Subproductos

Reactantes no convertidos

Catalizador

Recuperación para recircularlos

En plantas industriales

• 50-90% del capital corresponde a equipos de separación

• Mayor pureza Mayor valor económico del producto [2]

En un reactor:

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PROCESOS DE SEPARACIÓNCARACTERISTICAS

Proceso de Separación

Alimentación

i,j

Agente de Separación: Masa o Energía

Producto 1 (X1)

Producto 2 (X2)Producto n (Xn)

Agente de Separación: Promueve la separación

Principio de Separación: Propiedad física o química inherente a los componentes de la mezcla que permite que se efectué la separación.[2]

Separación: Transferencia de masa: Fuerza, dirección? Termodinámica

Grado de Separación: Limitado por el Equilibrio Termodinámico

CLASIFICACIÓN DE PROCESOS DE SEPARACIÓN

I. Procesos con transferencia de masa de acuerdo a:

I.1. Procesos de separación de equilibrio (Equilibrados, Reversibles, de Partición)

I.2. Procesos de separación controlados por la Velocidad (Irreversibles, de no partición)

Fases inmiscibles tienden hacia el equilibrio

Una sola fase.

Basados en diferencias en velocidades de transporte: gradientes de C, T entre otras

II. Procesos de separación mecánica. [2] Separación de una fase de otra mecánicamente.

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CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SEPARACIÓN

Procesos con Transferencia de Masa

Equilibrados

-Evaporación instantánea

- Destilación

- Absorción de gases

- Extracción líquido-líquido

- Extracción sólido-líquido

- Entre otros

No Equilibrados

(controlados por la velocidad)

- Difusión gaseosa

- Diálisis

- Espectrometría de masas

- Entre otros

Procesos con Separación Mecánica

- Sedimentación

- Ciclón

- Filtración

-Centrifugación

- Eliminador de niebla

- Precipitación electrostática

I.1 PROCESOS EQUILIBRADOS [2,3]

2. DestilaciónAgente de Separación:

Principio de Separación:

Ejemplo Industrial

Calor

Diferencia en volatilidades (presión de vapor)

Estabilización de la gasolina natural para separar isobutano e hidrocarburos de bajo peso molecular

L/V

V

L

1. Evaporación Instantánea, vaporización flash

Agente de Separación:


Ejemplo Industrial

Reducción de presión (energía)

Diferencia en volatilidades (presión de vapor)

Recuperación de agua a partir de agua de mar

L

V

L

D

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3. Absorción de gasesAgente de Separación:


Ejemplo Industrial

Líquido no volátil

Solubilidad preferencial

Eliminación de CO2 y H2S de gas natural por absorción en etanolaminas

Ge

Gs

4. Extracción Líquido-LíquidoAgente de Separación:


Ejemplo Industrial

Líquido inmiscibles

Solubilidad diferente de compuestos diferentes en las dos fases líquidas

Separación de compuestos con puntos de ebullición cercanos.

L´

L

D

Ds


5. Extracción Sólido-LíquidoAgente de Separación:


Ejemplo Industrial

Disolvente

Extracción de azúcar de la remolachaL´

S

Ss

LSolubilidad preferencial

6. Cristalización7. Evaporación8. Adsorción9. Intercambio Iónico10. Secado de Sólidos11.Ósmosis12.Flotación… entre otros… [2,3,4]


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I.2 PROCESOS DE SEPARACIÓN CONTROLADOS POR LA VELOCIDAD

1. Difusión Gaseosa

2. Diálisis



Ejemplo Industrial

Gradiente de presión (trabajo de compresor)

Separación de isótopos

Diferencia en velocidades de Knudsen o difusión superficial a través de una barrera porosa

P1 P2



Ejemplo Industrial

Membrana selectiva, disolvente

Riñon artificial

Velocidades diferentes de transporte difusional a través de una membrana

3. Espectrometría de Masa.4. Difusión Térmica5. Electrodiálisis6. Electroforesis7. Ósmosis Inversa.8. Ultrafiltración… entre otros.. [2,3]

I.2 PROCESOS DE SEPARACIÓN CONTROLADOS POR LA VELOCIDAD

Electrodiálisis Ósmosis Inversa Ultrafiltración

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II. PROCESOS DE SEPARACIÓN MECÁNICA

1. Sedimentación

2. Ciclón

L+SL

S



Ejemplo Industrial

Gravedad

Clarificación de aguas residuales

Diferencia de densidad



Ejemplo Industrial

Flujo (inercia)

Eliminación de polvos de gases

Diferencia de densidad

3. Filtración

4. Centrifugación.

5. Eliminador de nieblas.

6. Precipitación electrostática [2]

II. PROCESOS DE SEPARACIÓN MECÁNICA

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FACTOR DE SEPARACIÓN [2]

Indicador del grado de separación real. αijs

Proceso de SeparaciónAlimentación

i,j

Agente de Separación: Masa o Energía

Producto 1 (Xi, Xj)1

Producto 2 (Xi, Xj)2 2

2

1

1

j

i

j

i

sij

x

x

x

x

Si:• αij

s=1

• αijs>1

• αijs<1

No hay separación

“i” se concentra en el producto 1

“j” se concentra en el producto 1

Configuración del flujo del equipo de separación [2]

FACTOR DE SEPARACIÓN INHERENTEIndicador del grado de separación bajo condiciones IDEALES, se denota sin supraíndice: αij

•Para procesos equilibrados, αij: corresponde a composiciones de productos que se obtendrían cuando se alcance el EQUILIBRIO entre las fases.•Para procesos controlados por la velocidad, αij: corresponde a composiciones que ocurrirían en presencia de un solo mecanismo controlante, sin complicaciones.

¿Cuándo usar αijs o αij?

• Se usa αij cuando es fácil de obtener y se toma en cuenta las desviaciones de la idealidad usando EFICACIAS.• Se usa αij

s deducido empíricamente para procesos complejos.[2]• Si αij =1 αij

s =1 No hay separación

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REPASO DE TERMODINAMICA DE EQUILIBRIO

• Equilibrio• Fugacidades• Leyes• Regla de las fases• Diagramas• T burbuja• T rocío

Contacto entre fases que cuando no están en equilibrio, se efectúa una transferencia de masa.La velocidad de transferencia depende de la separación del sistema respecto al equilibrio. [5]

EQUILIBRIOCondición estática en la cual no ocurren cambios con respecto al tiempo en las propiedades macroscópicas de un sistema.A nivel microscópico, las condiciones no son estáticas.

iii ...

Criterio de equilibrio: Potencial químico

Como todas las fases están a la misma T, se puede expresar en función de la fugacidad

iii fff ˆ...ˆˆ

“i” : componentesα, β, π : fases

Regla de las Fases:Proporciona el número de variables que deben especificarse de manera arbitraria para fijar el resto de las variables. [5]

F: grados de libertadπ : nº de fasesN: nº de componentes

Sin reacción química

F= 2- π + N

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EQUILIBRIO Líquido- Vapor cualitativo

L

V

Si hay 2 componentes, N= 2

F= 2- π + NF= 2- π + 2= 4 - π

Si hay 2 fases, π = 2

F= 4 – πF = 2 2 grados de libertad Presión

TemperaturaComposición

Diagramas de equilibrio en sistemas binarios. [5]

• T vs x,y construido a P =cte• P vs x,y construido a T=cte• x vs y

Diagrama Pxy para acetonitrilo(1) /nitrometano(2) a 75ºC (Ley de Raoult)

Diagrama Txy para acetonitrilo(1) /nitrometano(2) a 70KPa (Ley de Raoult)

P-x1 Liquido saturado. Punto de Burbuja

P-y1 Vapor saturado. Punto de Rocío. [5]T-x1 Liquido saturado. Punto de Burbuja

T-y1 Vapor saturado. Punto de Rocío. [5]

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Formulación de EVL

iiiii

li

vi

fxPy

ff

...ˆ.

ˆˆ

satiiiii

sati

ii

sati

satiiiii

sati

sati

sati

li

PxPy

PxPy

Pff

....

ˆ

...ˆ.

Simplificaciones. [5,6]

Fase vapor: Ideal Φi=1Fase líquida: Solución Ideal i=1

satiii PxPy ..

Ley de Raoult

Fase vapor: Ideal Φi=1Fase líquida: Solución Real i ≠ 1

satiiii PxPy ...

Ley de Raoult Modificada

Ley de Dalton

a) Tetrahidrofurano (1)/tetracloruro de carbono(2); b) cloroformo (1)/tetrahidrofurano (2);

c) furano(1)/tetracloruro de carbono (2); d) etanol (1)/tolueno(2). [5]

Diagramas txy a 1atm

Desviaciones de la idealidad: Azeótropoxi=yi

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PROCESOS DE SEPARACIÓN… Recapítulando y resumiendo…

¿Qué son los procesos de separación? ¿cómo se clasifican?

¿Qué conocimientos previos debo tener para entender este capítulo?

¿Qué haremos en la siguiente clase?

• Factores que afectan la pureza de los productos.

• Cálculos de procesos equilibrados.

REFERENCIAS

[1] FOUST. A. “ Principios de Operaciones Unitarias”. Editorial Continental, S.A. México, 1997.

[2] JUDSON KING. C. “ Procesos de Separación”. Ediciones Repla, S.A. México, 1988.

[3] Mc CABE. “Operaciones Unitarias en Ingeniería Química” Mc Graw Hill. España, 1991.

[4] SEADER, J; HENLEY E. “Operaciones de Separación por etapas de equilibrio en ingeniería química”. Editorial Reverté, S.A. México, 2000.

[5] SMITH; VAN NESS; ABBOTT. “Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química”. Mc Graw Hill. México, 1998.

[6] PRAUSNITZ. J. “ Termodinámica molecular de los equilibrios de fases”. Prentice Hall. Madrid, 2000.

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