UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR 1

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR 1 PROGRAMA DE: PROCESOS DE SEPARACIÓN CODIGO: 6274 H O R A S D E C L A S E P R O F E S O R R E S P O N S A B L E T E O R I C A S P R A C T I C A S Dra. MABEL SANCHEZ Por semana Por cuatrimestre Por semana Por cuatrimestre Dra. SELVA PEREDA A S I G N A T U R A S C O R R E L A T I V A S Para Cursar A P R O B A D A S Termodinámica para Ing. Químicos P R E C E D E N T E S C U R S A D A S Transferencia de Calor y Masa A P R O B A D A S Para Rendir C U R S A D A S Termodinámica para Ing. Químicos Transferencia de Calor y Masa (IQ plan 2002) Transferencia de Calor y Masa (IQ, plan 2006) DESCRIPCIÓN Y OBJETIVOS Los procesos de separación son operaciones que transforman una mezcla de sustancias en dos o más productos que difieren en composición. El ingeniero químico ha estado tradicionalmente dedicado a la manufactura de productos utilizando métodos económicos de separación. En plantas de gran escala, se utilizan procesos continuos de separación clásicos, por ejemplo: destilación, absorción, extracción líquido-líquido, lixiviación, como así también otros más recientes tales como: adsorción y separación con membranas, con el fin de separar los componentes de mezclas gaseosas, líquidas y sólidas. En plantas de menor escala, se aplican estos procesos para la manufactura discontinua de químicos especiales, la recuperación de solutos biológicos y de productos valiosos de residuos industriales, entre otros fines. El objetivo de esta materia es proporcionar al estudiante las herramientas fundamentales vinculadas a la selección, comportamiento y cálculo de los procesos de separación basados en operaciones de transferencia de masa. PROGRAMA SINTÉTICO Capítulo I: Introducción a los Procesos de Separación Capítulo II: Termodinámica de los Procesos de Separación Capítulo III: Separación Líquido Vapor en una Etapa de Equilibrio Capítulo IV - Destilación Binaria en Etapas Múltiples Capítulo V - Destilación de Mezclas Multicomponentes en Etapas Múltiples Capítulo VI - Destilación Discontínua Capítulo VII - Operaciones Unitarias de Extracción, Desorción, Lixiviación y Absorción en Etapas Múltiples Capítulo VIII - Procesos de Separación Fluido-Fluido en Equipos de Contacto Contínuo Capítulo IX - Procesos de Separación con Membranas Capítulo X - Procesos de Separación por Adsorción

2 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR 2 AREA NRO:III PROGRAMA ANALÍTICO Capítulo I: Introducción a los Procesos de Separación Definición e importancia de los procesos de separación. Aplicaciones. Significado económico. Clasificación de procesos de separación. Agentes de separación. Factor de separación. Recuperación. Relación entre procesos de separación y propiedades moleculares. Selección de procesos de separación. Síntesis de procesos de separación. Capítulo II: Termodinámica de los Procesos de Separación Bases de datos y predicción de propiedades en Ingeniería de Procesos. Clasificación de propiedades. Propiedades dependientes de la presión de vapor. Curva de equilibrio vapor - líquido para una sustancia pura. Punto triple y región supercrítica. Regla de las fases. Modelado termodinámico y simulación de procesos de separación. Equilibrio de fases. Criterio de isofugacidad para el equilibrio vapor - líquido. Cálculo de equilibrio vapor - líquido en soluciones ideales. Cálculos de la relación de equilibrio entre fases a partir del cálculo de coeficientes de fugacidad o coeficientes de actividad. Ecuaciones de estado de Van der Waals y modificaciones de Redlich-Kwong y Soave. Parámetros críticos y factor acéntrico. Modelos de coeficientes de actividad: Flory y Soluciones Regulares. Clasificación de moléculas y selección de modelos termodinámicos. Diagramas TXY y PXY para mezclas binarias. Caso de volatilidad relativa constante. Temperaturas de burbuja y rocío en mezclas binarias y multicomponentes. Capítulo III: Separación Líquido Vapor en una Etapa de Equilibrio Separación flash (instantánea) de una mezcla de líquido - vapor. Descripción del proceso continuo y su control en estado estacionario. Grados de libertad y especificación. Ecuaciones de balances de masa, de componentes, de energía, equilibrio termodinámico. Regla de especificación de Hanson. Mezclas de multicomponentes: Cálculos flash a presión y temperatura de operación prefijados ó con especificaciones de la separación: 1) recuperación de un componente, 2) fracción vaporizada de la alimentación, para una alimentación de caudal y composición conocidos. Cálculos de flash adiabáticos. Mezclas binarias: Línea de operación para una dada relación líquido / vapor. Relación entre recuperación de un producto y composición. Flash adiabático. Diagrama entalpía -composición (Ponchon- Savarit). Resolución gráfica. Capítulo IV - Destilación Binaria en Etapas Múltiples Problema recuperación vs. composición. Columna de despojo de etapas múltiples. Contacto en contracorriente del líquido y vapor. Balances de materia y relación de equilibrio. Línea de operación en contracorriente. Mínimo caudal de vapor. Relación entre composiciones extremas bajo condiciones de vaporización total. Ecuación de Fenske para columnas de despojo o agotamiento. Limitaciones en la recuperación de las columnas de despojo y en la composición del destilado. Columna de fraccionamiento. Efecto del reflujo y de las etapas de rectificación por encima de la alimentación. Especificación de una columna de destilación binaria. Regla de Hanson. Especificaciones en modo control, diseño y simulación. Balances de materia y energía en columnas de destilación. Líneas de operación de despojo y rectificación. Balance de entalpía. Variación de flujos de líquido y vapor en la columna por restricciones energéticas. Diseño de una columna de destilación fraccionada. Hipótesis de flujos molares constantes. Línea q para ubicación del punto de alimentación. Plato de alimentación óptimo. Estado térmico de la alimentación. Columna con

3 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR 3 AREA NRO:III alimentaciones y extracciones laterales. Operación a reflujo total: ecuación de Fenske para el número mínimo de Platos. Reflujo mínimo. Método de Jenny para la determinación de reflujo mínimo en mezclas binarias. Concepto de sección infinita. Capítulo V - Destilación de Mezclas Multicomponentes en Etapas Múltiples Balances de materia y energía para columnas multicomponentes. Solución de los sistemas de ecuaciones algebraicas no lineales MESH (Masa, Equilibrio, Sumatoria de composiciones y Entalpía). Agrupamiento por componentes. Método del punto de burbuja o de suma de caudales. Método de la Matriz Tridiagonal (Friday y Smith, Wang y Henke). Mét Agrupamiento por plato. Método de Naphtali- Sandholm. Destilación multicomponente asistida por computadora. Estrategía de simulación de procesos. Diseño aproximado. Extensión de la ecuación de Fenske a multicomponentes. Método de Yenny y Underwood para cálculo del reflujo mínimo. Correlaciones de Gilliland y Erbar Maddox para cálculo del número real de etapas. Destilación azeotrópica y extractiva. Capítulo VI - Destilación Discontínua Destilación discontinua simple. Ecuación de Raleigh. Destilación de multicomponentes. Destilación discontinua de etapas múltiples. Operación a reflujo constante o destilado de composición constante. Método gráfico. Soluciones analíticas aproximadas. Capítulo VII - Operaciones Unitarias de Extracción, Desorción, Lixiviación y Absorción en Etapas Múltiples Equilibrio líquido-líquido. Coeficiente de distribución o de reparto. Cálculo a partir de coeficientes de actividad. Regla de las fases. Sistemas de equilibrio líquido - líquido ternario. Líneas de unión Extracción Líquido-Líquido. Ejemplos y aplicaciones. Separación en una etapa. Sistemas parcialmente miscibles: cálculo gráfico. Sistemas inmiscibles diluidos. Factor y rendimiento de la extracción: relaciones. Sistemas inmiscibles concentrados con relación de equilibrio lineal y no lineal. Separación con etapas múltiples. Flujo cruzado. Sistemas parcialmente miscibles: cálculo gráfico. Sistemas inmiscibles diluidos. Relaciones entre el número de etapas, el factor de extracción y el rendimiento. Sistemas inmiscibles concentrados con relación de equilibrio lineal y no lineal. Flujo en contracorriente. Sistemas inmiscibles diluidos. Línea de operación. Caudal mínimo de solvente. Número de etapas: cálculo gráfico. Ecuación de Kremser. Relaciones entre el número de etapas, el factor de extracción y el rendimiento. Sistemas concentrados con relación de equilibrio lineal y no lineal. Extensión de la metodología de la extracción líquidolíquido a operaciones de absorción, desorción y lixiviación. Factor de despojo, de absorción y de lavado. Equilibrio gas-líquido. Absorción en una etapa. Flujo cruzado y en contracorriente. Sistemas inmiscibles diluidos y concentrados. Capítulo VIII - Procesos de Separación Fluido-Fluido en Equipos de Contacto Contínuo Transferencia de Masa. Ley de Fick. Ley de Fick con término convectivo. Contradifusión equimolar. Difusión unimolecular. Transferencia de masa en la interfase: resistencias en serie, condición de equilibrio en la interfase. Coeficiente global de transferencia de materia. Cálculo de columnas rellenas. Hipótesis de funcionamiento en flujo pistón. Ecuación de diseño de columnas rellenas. Número de unidades de transferencia de masa. Altura de la unidad de transferencia de masa. Altura global de la unidad de transferencia y su relación con el Factor de Absorción. Control del lado del líquido o del lado del gas a la transferencia de masa. Ecuación de Colburn

4 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR 4 AREA NRO:III para el cálculo analítico de operaciones de absorción, extracción o desorción en columnas rellenas. Destilación de sistemas binarios en columnas rellenas. Capítulo IX - Procesos de Separación con Membranas Materiales para membranas. Módulos. Membranas porosas. Flujo convectivo. Membranas no porosas. Transporte de masa por solución-difusión para líquidos y gases. Patrones de flujo en un separador. Cascada de separadores con reciclo en contracorriente. Polarización por concentración. Diálisis y electrodiálisis. Osmosis inversa. Permeación gaseosa. Pervaporación. Ultrafiltración. Capítulo X - Procesos de Separación por Adsorción Adsorción. Adsorbentes industriales. Isotermas de adsorción. Adsorción en una etapa. Columnas de adsorción de lecho fijo. Curvas de ruptura. Cálculo de la longitud del lecho. Procesos de regeneración: ciclos de temperatura (TSA) y ciclos de presión (PSA). Columnas de adsorción de lecho móvil.

5 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR 5 BIBLIOGRAFÍA Geankopolis, C., Fenómenos de Transporte y Operaciones Unitarias, Ed. CECSA, Henley, E.J. and Seader, J.D., Separation Process Principles, Ed. Wiley & Sons Inc., King, C.I. Separation Processes, Ed. McGraw Hill, Maddox and Hinnes, Mass Transfer: Fundamentals and Applications, Prentice Hall, Sattler K. y Feindt H., Thermal Separation Processes: principles and design, VCH, Treybal, R.E., Operaciones con Transferencia de Masa, Mc Graw Hill,1988. Wankat, Phillip C., Equilibrium Staged Separations, Prentice Hall, A Ñ O P R O F E S O R R E S P O N S A B L E A Ñ O P R O F E S O R R E S P O N S A B L E (f i r m a a c l a r a d a) (f i r m a a c l a r a d a) 2012 Dra. M. Sánchez- Dra. S. Pereda V I S A D O C O O R D I N A D O R A R E A S E C R E T A R I O A C A D E M I C O D I R E C T O R D E D E P A R T A M E N T O Dra. Marisa PEDERNERA Dra. Verónica BUCALÁ FECHA: Agosto 2012 FECHA: FECHA

6 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR 6 ANEXO SISTEMA DE EVALUACIÓN Cursado Se toman dos parciales, los cuales se aprueban con 5 (cinco). Los alumnos que desaprueban los 2 parciales no cursan la materia. Aquellos que desaprueban un parcial, rinden un recuperatorio al finalizar el cuatrimestre, sobre los temas del parcial desaprobado. Además, se deben aprobar dos proyectos. Promoción Los alumnos que tengan nota 7 (siete) o superior en cada uno de los parciales, o en un parcial y su recuperatorio, promocionan la materia. La nota final será un promedio de las calificaciones obtenidas durante el cursado de la materia, incluyendo su desempeño en la ejecución del proyecto. Examen Final Regular Aquellos alumnos que cursaron la materia, tienen la opción de aprobarla si obtienen una nota superior o igual a 4 (cuatro) en un examen final, en el cual se evalúa todo el programa de la asignatura. Examen Final Libre Aquellos alumnos que no cursaron la materia, tienen la opción de aprobarla si obtienen una nota superior o igual a 4 (cuatro) en un examen final libre, en el cual se evalúa todo el programa de la asignatura. La prueba comprende 2 exámenes consecutivos correspondientes a los temas examinados en cada parcial. PRACTICAS EN GABINETE / LABORATORIO /CAMPO Se proponen problemas de aplicación sobre los conceptos vistos en las clases teóricas. Los auxiliares de docencia atienden las consultas de los alumnos sobre la resolución de dichos problemas en el gabinete. Además se utilizan las instalaciones del LACINQUI con el fin de realizar prácticas sobre el uso de simuladores de procesos, desarrollar las tareas de los proyectos y contestar las preguntas de los alumnos sobre dicha actividad. ACTIVIDADES DIRIGIDAS A DESARROLLAR HABILIDADES PARA LA COMUNICACIÓN ORAL Y ESCRITA Al finalizar cada proyecto debe presentarse un informe escrito, cuya calificación surge de evaluar su contenido técnico, la claridad en la exposición de las ideas, su redacción y ortografía. VIAJES DE ESTUDIO No se realizan viajes de estudio durante el cursado de la asignatura.

7 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR 7 ANEXO METODOLOGÍA DE LA ENSEÑANZA La enseñanza comprende: la explicación de conocimientos teóricos durante clases asistidas con proyector de datos, la resol ución de guías de problemas, la consulta individual sobre los problemas propuestos a los auxiliares de docencia, y la ejecución de dos proyectos de diseño preliminar y simulación, con ayuda de la computadora, realizados en comisiones. Todos los temas del programa de la materia se explican durante las clases teóricas, y son motivo de consulta durante los horarios destinados a resolver problemas prácticos. A Ñ O P R O F E S O R R E S P O N S A B L E A Ñ O P R O F E S O R R E S P O N S A B L E (f i r m a a c l a r a d a) (f i r m a a c l a r a d a) 2012 Dra. M. Sánchez- Dra. S. Pereda V I S A D O C O O R D I N A D O R A R E A S E C R E T A R I O A C A D E M I C O D I R E C T O R D E D E P A R T A M E N T O Dra. Marisa PEDERNERA Dra. Verónica BUCALÁ FECHA: Agosto 2012 FECHA: FECHA