OPERACIONES UNITARIAS III Clase introductoria

Transcripción

1 Unversdad de os Andes Facultad de Ingenería Escuela de Ingenería Químca Dpto. de Operacones Untaras y Proyectos OPERACIONES UNITARIAS III Clase ntroductora Prof. Yoana Castllo yoanacastllo@ula.ve Web: CONTENIDO Ingenería Químca. Operacones untaras en ngenería químca. Contendo del Curso OPE III. Procesos de Separacón. Importanca. Característcas. Clasfcacón. Factor de Separacón. Repaso de Termodnámca de equlbro. Equlbro íqudo-vapor. 1

2 OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA la aplcacón de los prncpos de las cencas físcas junto con los prncpos de economía y relacones humanas, a campos que atañen en forma drecta a los PROCESOS y equpos de procesos en los cuales se trata la matera prma con el fn de modfcar su estado, contendo de energía o composcón [1] Ingenería de Procesos Papel del Ing. Qco: Matera prma Proceso Productos Selecconar etapas adecuadas en el orden apropado para formular un proceso. Acondconamento Purfcacón Especfcar u optmzar condcones para llevar a cabo el proceso. CONTENIDO DE CURSO OPERACIONES UNITARIAS III Destlacón. Extraccón íqudo-íqudo. Absorcón de gases. Aplcar ecuacones de dmensonamento de equpos. Aplcacón de programas de computacón. 2

3 PROCESOS DE SEPARACIÓN os procesos que ocurren de forma natural son nherentemente de MEZCADO El procedmento nverso se conoce como PROCESOS DE SEPARACIÓN IMPORTANCIA DE OS PROCESOS DE SEPARACIÓN En un reactor: Producto deseado Subproductos Reactantes no convertdos Catalzador Recuperacón para recrcularlos En plantas ndustrales 50-90% del captal corresponde a equpos de separacón Mayor pureza Mayor valor económco del producto [2] PROCESOS DE SEPARACIÓN CARACTERISTICAS Producto 1 (X 1 ) Almentacón,j Proceso de Separacón Producto 2 (X 2 ) Producto n (X n ) Agente de Separacón: Masa o Energía Agente de Separacón: Promueve la separacón Prncpo de Separacón: Propedad físca o químca nherente a los componentes de la mezcla que permte que se efectué la separacón.[2] Separacón: Transferenca de masa: Fuerza, dreccón? Termodnámca Grado de Separacón: mtado por el Equlbro Termodnámco 3

4 CASIFICACIÓN DE PROCESOS DE SEPARACIÓN I. Procesos con transferenca de masa de acuerdo a: I.1. Procesos de separacón de equlbro (Equlbrados, Reversbles, de Partcón) I.2. Procesos de separacón controlados por la Velocdad (Irreversbles, de no partcón) II. Procesos de separacón mecánca. [2] Fases nmscbles tenden haca el equlbro Una sola fase. Basados en dferencas en velocdades de transporte: gradentes de C, T entre otras Separacón de una fase de otra mecáncamente. I.1 PROCESOS EQUIIBRADOS [2,3] 1. Evaporacón Instantánea, vaporzacón flash V Agente de Separacón: Prncpo de Separacón: Ejemplo Industral Reduccón de presón (energía) Dferenca en volatldades (presón de vapor) Recuperacón de agua a partr de agua de mar 2. Destlacón V Agente de Separacón: Calor /V D Prncpo de Separacón: Dferenca en volatldades (presón de vapor) Ejemplo Industral Establzacón de la gasolna natural para separar sobutano e hdrocarburos de bajo peso molecular 4

5 I.1 PROCESOS EQUIIBRADOS [2,3] 3. Absorcón de gases Gs Agente de Separacón: íqudo no volátl Prncpo de Separacón: Solubldad preferencal Ge Ejemplo Industral Elmnacón de CO 2 y H 2 S de gas natural por absorcón en etanolamnas 4. Extraccón íqudo-íqudo Agente de Separacón: íqudo nmscbles D Prncpo de Separacón: Solubldad dferente de compuestos dferentes en las dos fases líqudas Ds Ejemplo Industral Separacón de compuestos con puntos de ebullcón cercanos. I.1 PROCESOS EQUIIBRADOS [2,3] 5. Extraccón Sóldo-íqudo Agente de Separacón: Dsolvente S Ss Prncpo de Separacón: Solubldad preferencal Ejemplo Industral Extraccón de azúcar de la remolacha 6. Crstalzacón 7. Evaporacón 8. Adsorcón 9. Intercambo Iónco 10. Secado de Sóldos 11.Ósmoss 12.Flotacón entre otros [2,3,4] 5

6 I.2 PROCESOS DE SEPARACIÓN CONTROADOS POR A VEOCIDAD 1. Dfusón Gaseosa P1 2. Dálss P2 Agente de Separacón: Prncpo de Separacón: Ejemplo Industral Gradente de presón (trabajo de compresor) Dferenca en velocdades de Knudsen o dfusón superfcal a través de una barrera porosa Separacón de sótopos Agente de Separacón: Membrana selectva, dsolvente Prncpo de Separacón: Ejemplo Industral Velocdades dferentes de transporte dfusonal a través de una membrana Rñon artfcal I.2 PROCESOS DE SEPARACIÓN CONTROADOS POR A VEOCIDAD 3. Espectrometría de Masa. 4. Dfusón Térmca 5. Electrodálss 6. Electroforess 7. Ósmoss Inversa. 8. Ultrafltracón entre otros.. [2,3] Electrodálss Ósmoss Inversa Ultrafltracón 6

7 II. PROCESOS DE SEPARACIÓN MECÁNICA 1. Sedmentacón +S Agente de Separacón: Gravedad S Prncpo de Separacón: Dferenca de densdad Ejemplo Industral Clarfcacón de aguas resduales 2. Cclón Agente de Separacón: Flujo (nerca) Prncpo de Separacón: Dferenca de densdad Ejemplo Industral Elmnacón de polvos de gases II. PROCESOS DE SEPARACIÓN MECÁNICA 3. Fltracón 4. Centrfugacón. 5. Elmnador de neblas. 6. Precptacón electrostátca [2] 7

8 FACTOR DE SEPARACIÓN [2] Indcador del grado de separacón real. α j s Almentacón,j Proceso de Separacón Agente de Separacón: Masa o Energía x 1 Producto 1 (X, Xj) 1 s x j 1 α j = x Producto 2 2 (X, Xj) 2 2 x j S: α js =1 No hay separacón α js >1 α js <1 se concentra en el producto 1 j se concentra en el producto 1 Confguracón del flujo del equpo de separacón [2] FACTOR DE SEPARACIÓN INHERENTE Indcador del grado de separacón bajo condcones IDEAES, se denota sn supraíndce: α j Para procesos equlbrados, αj: corresponde a composcones de productos que se obtendrían cuando se alcance el EQUIIBRIO entre las fases. Para procesos controlados por la velocdad, αj: corresponde a composcones que ocurrrían en presenca de un solo mecansmo controlante, sn complcacones. Cuándo usar α s j o α j? Se usa α j cuando es fácl de obtener y se toma en cuenta las desvacones de la dealdad usando EFICACIAS. Se usa α s j deducdo empírcamente para procesos complejos.[2] S α j =1 α s j =1 No hay separacón 8

9 REPASO DE TERMODINAMICA DE EQUIIBRIO Equlbro Fugacdades eyes Regla de las fases Dagramas T burbuja T rocío Contacto entre fases que cuando no están en equlbro, se efectúa una transferenca de masa. a velocdad de transferenca depende de la separacón del sstema respecto al equlbro. [5] EQUIIBRIO Condcón estátca en la cual no ocurren cambos con respecto al tempo en las propedades macroscópcas de un sstema. A nvel mcroscópco, las condcones no son estátcas. Crtero de equlbro: Potencal químco α β π µ = µ =... = µ Como todas las fases están a la msma T, se puede expresar en funcón de la fugacdad ˆ ˆ α β π f = f =... = f Regla de las Fases: Proporcona el número de varables que deben especfcarse de manera arbtrara para fjar el resto de las varables. [5] ˆ : componentes α, β, π : fases Sn reaccón químca F= 2- π + N F: grados de lbertad π : nº de fases N: nº de componentes 9

10 EQUIIBRIO íqudo- Vapor cualtatvo S hay 2 componentes, N= 2 V F= 2- π + N F= 2- π + 2= 4 - π S hay 2 fases, π = 2 F= 4 π F = 2 2 grados de lbertad Presón Temperatura Composcón Dagramas de equlbro en sstemas bnaros. [5] T vs x,y construdo a P =cte P vs x,y construdo a T=cte x vs y Dagrama Pxy para acetontrlo(1) /ntrometano(2) a 75ºC (ey de Raoult) Dagrama Txy para acetontrlo(1) /ntrometano(2) a 70KPa (ey de Raoult) P-x 1 qudo saturado. Punto de Burbuja P-y 1 Vapor saturado. Punto de Rocío. [5] T-x 1 qudo saturado. Punto de Burbuja T-y 1 Vapor saturado. Punto de Rocío. [5] 10

11 Formulacón de EV v l f ˆ = fˆ Smplfcacones. [5,6] y. φ ˆ. P = x. γ. f l f = f sat y. ˆ φ. P = x. γ. φ ˆ φ Φ = φ sat = φ sat sat P y. Φ. P = x. γ. P sat sat P sat Fase vapor: Ideal Φ =1 Fase líquda: Solucón Ideal γ =1 y. P = x. P sat ey de Dalton ey de Raoult Fase vapor: Ideal Φ =1 Fase líquda: Solucón Real γ 1 ey de Raoult Modfcada sat y. P = x. γ. P Dagramas txy a 1atm a) Tetrahdrofurano (1)/tetracloruro de carbono(2); b) cloroformo (1)/tetrahdrofurano (2); c) furano(1)/tetracloruro de carbono (2); d) etanol (1)/tolueno(2). [5] Desvacones de la dealdad: Azeótropo x =y 11

12 REFERENCIAS [1] FOUST. A. Prncpos de Operacones Untaras. Edtoral Contnental, S.A. Méxco, [2] JUDSON KING. C. Procesos de Separacón. Edcones Repla, S.A. Méxco, [3] Mc CABE. Operacones Untaras en Ingenería Químca Mc Graw Hll. España, [4] SEADER, J; HENEY E. Operacones de Separacón por etapas de equlbro en ngenería químca. Edtoral Reverté, S.A. Méxco, [5] SMITH; VAN NESS; ABBOTT. Introduccón a la Termodnámca en Ingenería Químca. Mc Graw Hll. Méxco, [6] PRAUSNITZ. J. Termodnámca molecular de los equlbros de fases. Prentce Hall. Madrd,