ASIGNATURA: OPERACIONES UNITARIAS II

Transcripción

1 ASIGNATURA: OPERACIONES UNITARIAS II ESPECIALIDAD: INGENIERIA QUIMICA PLAN: 1995 Adecuado NIVEL: 4º MODALIDAD: CUATRIMESTRAL BLOQUE: TECNOLOGÍAS APLICADAS AREA: INGENIERÍA QUÍMICA DICTADO: 2DO CUATRIMESTRE HORAS: 10 HS. SEMANALES CARGA HORARIA TOTAL: 160 HS. CICLO LECTIVO: 2011 en adelante Correlativas para cursar: Regulares: Fisicoquímica y Fenómenos de Transporte. Aprobadas: Análisis Matemático II, Química Inorgánica, Física II. Correlativas para rendir: Aprobadas: Fisicoquímica y Fenómenos de Transporte. Regulares: Operaciones Unitarias II OBJETIVOS - Conocer, comprender, especificar y/o calcular equipos y sistemas de transferencia de masa con y sin reacción química, incluyendo los que requieren transferencia de calor. - Elaborar, desarrollar y resolver los métodos computacionales para el cálculo riguroso de columnas de destilación / absorción de múltiples etapas de sistemas multicomponentes en estado estacionario y en estado no estacionario, con y sin reacción química. - Diseñar y elaborar el plano de detalles de las columnas de destilación / absorción en múltiples etapas. CONTENIDOS Unidad 1: Fundamentos de la destilación multicomponentes. Equilibrio de fases líquido vapor de mezclas multicomponentes. Constantes de equilibrio líquido vapor a partir del modelo y -. Ecuaciones de estado de cálculo de : Peng Robinson (PR), Soave Redlich Kwong (SRK), Predictive Soave Redlich Kwong (PSRK), Volume Translated Peng Robinson (VTPR). Modelos de coeficientes de actividad: UNIQUAC UNIFAC. Cálculo del punto burbuja y del punto rocío. Destilación flash. Desarrollo y solución del sistema de ecuaciones de equilibrio de fases, balances de masa y energía que describen la operación adiabática e Página 112 de 203 Anexo I Res.: 1195/11

2 isotérmica de una destilación flash. Resolución del sistema de ecuaciones no lineales con el método de Broyden. Cálculo riguroso de la absorción o destilación en múltiples etapas en contracorriente. Desarrollo y solución del sistema de ecuaciones de equilibrio de fases, balances de masa y energía por los métodos de Naphtali Sandolm (almost band). Formulación del número de ecuaciones, restricciones para el calderín y el condensador de una columna de destilación. Modelo del plato de alimentación y de las corrientes laterales. Valores iniciales. Características de la matriz Jacobiana del sistema de ecuaciones. Resolución del sistema de ecuaciones no lineales con el método de Broyden. Cálculo rápido de la absorción o destilación multicomponentes. Hipótesis del componente clave. Balances de masa para estimación de los valores iniciales para el cálculo riguroso. Determinación del número mínimo de etapas por el método de Fenske. Determinación del reflujo mínimo por el método de Underwood. Estimación del número actual de etapas y de la etapa de alimentación a partir de correlaciones. Modelado y resolución de un caso completo. 3 semanas Unidad 2: Diseño de equipos de absorción destilación. Torre de platos. Tipos de platos. Límites de la capacidad del plato. Modelo hidráulico clásico. Diagrama de estabilidad del plato. Definición del área del plato, carga de vapor y carga del líquido. Mecanismos de inundación. Factores que lo afectan. Parámetros hidráulicos: caída de presión y caída de presión seca. Capacidad de absorción de fluctuaciones en los caudales. Regímenes de flujos: spray, lloriqueo, etc. Dimensionamiento de columnas. Metodología. Estimación de la eficiencia de platos. Torres de contacto continuo. Tipos de rellenos: empaques al azar, mallas, empaque estructurado. Comportamiento de la caída de presión dentro de la torre en función de los caudales de líquido y de vapor. Definiciones de inundación. Factor de empaque. Curvas de parámetro de capacidad versus parámetro de flujo. Determinación del diámetro de la torre. Estimación de la altura equivalente a un plato teórico (HETP). Fundamentos de la maldistribución en los empaques. Determinación de la altura de la torre. Ingeniería de detalles. Detalles de las entradas de la alimentación y del reflujo para torres de platos. Detalles de la alimentación intermedia y del reflujo, y la redistribuicion del líquido para torres de relleno. Sección inferior de la torre y salidas de la columna. Accesos a la columna. Diseño de platos y vertederos. Requerimientos mecánicos. Accesorios internos de torres de empaque. Soportes, escaleras, cañerías. Elaboración del plano de las torres de plato y relleno obtenidas de la memoria de cálculo. 2 semanas Unidad 3: Destilación discontinua por lotes (batch). Cálculo riguroso de la destilación en múltiples etapas en contracorriente de un equipo batch. Desarrollo y solución del sistema de ecuaciones diferenciales algebraicas de equilibrio de fases, balances de masa y energía con acumulación con el método de Radau5. Modelado y resolución de un caso. Comportamiento temporal de las composiciones, flujos y temperaturas. 1 semana Página 113 de 203 Anexo I Res.: 1195/11

3 Unidad 4: Destilación con reacción química Cálculo riguroso de la absorción o destilación en múltiples etapas en contracorriente con reacción química. Desarrollo y solución del sistema de ecuaciones de equilibrio de fases, balances de masa y energía por los métodos de Naphtali Sandolm (almost band) y comportamiento de la reacción como CSTR. Formulación del número de ecuaciones, restricciones para el calderín y el condensador de una columna de destilación. Resolución del sistema de ecuaciones no lineales con el método de Broyden. Modelado y resolución de un caso. 1 semana Unidad 5: Absorción Consideraciones generales de la absorción ideal simplificada. Equilibrio de fases líquido vapor de un sistema ternario con un componente no volátil y un componente no condensable. Balances de masa de la operación de múltiples etapas en contracorriente. Determinación gráfica del número de platos. 1 semana Unidad 6: Destilación fraccionada binaria Fundamentos. Equipos utilizados. Separación de una mezcla binaria. Balance de masa y energía. Relación de reflujo. Mínima relación de reflujo. Reflujo óptimo. Cálculo del número de etapas del contacto. Métodos gráficos de Ponchon - Savarit y McCabe - Thiele. Eficiencia puntual y promedio. Ubicación del plato óptimo de alimentación. Determinación gráfica del número de etapas de contacto para conseguir la separación. 2 semanas Unidad 7: Extracción líquido-líquido Definiciones generales. Equilibrio líquido líquido. Selección de solvente. Diagramas de equilibrio triangulares y en base libre de solvente (Janecke). Solución del balance de masa sobre dichos diagramas. Extracción líquido-líquido operando contracorriente y múltiples alimentaciones. Extracción líquido-líquido con reflujo. Determinación gráfica del número de etapas en los diagramas triangular y de Janecke. Equipos para extracción líquido-líquido. 2 semanas Unidad 8: Extracción líquido sólido Lixiviación. Conceptos generales. Equilibrio sólido líquido. Métodos de operación y equipos. Balances de masa para una etapa, múltiples etapas en flujo cruzado y múltiples etapas en contracorriente. Métodos gráficos de cálculo. Rendimiento de etapa. Equilibrio práctico. 1 semana Unidad 9: Transferencia de masa. Difusión molecular en fluidos. Ley de Fick. Estimación de la difusividad. Difusión equimolar, del difundente A contra el no difundente B y con reacción química. Coeficientes de transferencia de masa. Números adimensionales. Analogía entre las transferencias de cantidad de movimiento, energía y masa. Transferencia de masa interfacial. Coeficiente global de transferencia de masa. 1 semana Unidad 10: Humidificación Secado Consideraciones generales del sistema aire húmedo. Definiciones psicrométricas. Humedad absoluta. Humedad relativa. Su relación con la presión y la temperatura. Volumen húmedo. Saturación adiabática. Condiciones de equilibrio del bulbo húmedo. Diagrama psicrométrico. Secado. Consideraciones generales. Equilibrio Página 114 de 203 Anexo I Res.: 1195/11

4 sólido agua aire. Velocidad de secado. Estimación de la velocidad de secado en el período de velocidad constante de secado. Comportamiento de la operación de secado. Equipos. 1 semana Unidad 11: Adsorción. Intercambio iónico. Conceptos generales. Clasificación de adsorbentes. Equilibrio de adsorción sólido fluido. Balances de masa para una etapa y múltiples etapas en contracorriente. Equilibrio de soluciones iónicas. Equipos. 1 semana BIBLIOGRAFIA: Básica: - Operaciones de transferencia de masa. Robert Treybal. 2da. Edición. Edit. McGraw-Hill. (1980) - Fundamentals of multicomponent distillation. Charles Holland. Edit. McGraw-Hill. (1981) - Fenómenos de transporte. Byron Bird, Warren Stuart, Edwin Lightfoot. Edit. Reverté. (1976) - Distillation design. Henry Kister. Edit. McGraw-Hill (1992) - Distillation operation. Henry Kister. Edit. McGraw-Hill. (1990) Complementaria: - Procesos de transporte y operaciones unitarias. Christie Geankoplis. 3ra ed. Edit. CECSA. (1999) - Operaciones de separación en Ingeniería Química. Pedro Martinez de la Cuesta, Eloísa Martínez. Edit. Pearson Prentice Hall (2004) - Handbook of separation techniques for chemical engineering. 3ra Ed. Philip Schweitzer. Edit. McGraw-Hill (1997) - Transferencia de masa. Thomas Sherwood, Robert Pigford, Charles Wilke. Edit. Géminis (1979) - Handbook of solvent extraction. Teh Lo, Malcolm Baird, Carl Hanson. Edit. Krieger. (1991) Metodología de evaluación Condiciones de regularización Requisitos para la regularización académica de la materia: Aprobar el parcial teórico de diseño de torre de destilación, con un mínimo de cuatro (4). Habrá una única oportunidad de recuperación del mismo. Aprobar el parcial práctico de métodos gráficos, con un mínimo de cuatro (4). Habrá una única oportunidad de recuperación del mismo. Presentar y aprobar el informe de diseño de una torre de destilación, con un mínimo de cuatro (4), partiendo de condiciones establecidas por el docente. Este trabajo deberá ser presentado en formato digital y en documento impreso (1 copia), en el Departamento de Ingeniería Química, en la fecha pactada con el profesor. Deberá contener: 1) Cálculos, gráficas, comentarios, conclusiones y referencias. Página 115 de 203 Anexo I Res.: 1195/11

5 2) Simulación. 3) Plano 3D de la torre lograda. Solo se podrá recuperar un solo parcial, aprobando con un mínimo de cuatro (4). Condiciones de Promoción La promoción de la parte práctica de la materia se obtiene logrando una nota promedio de 7 (siete), con nota no menor a 6 (seis) en los dos parciales prácticos y en el trabajo de diseño de la torre de destilación. El parcial recuperatorio permitirá la promoción de la parte práctica pudiendo darse las siguientes situaciones: - Quienes tengan un parcial aprobado con nota superior a seis, podrán promocionar recuperando el parcial no aprobado o no presentado, con nota necesaria para promediar siete con el aprobado. - Quienes tengan un parcial aprobado con nota inferior a seis, podrán promocionar realizando un recuperatorio integral y obteniendo una nota no inferior a siete. También podrán recuperar el parcial no aprobado para obtener sólo la regularidad. - Quienes no hayan aprobado un parcial y no asistieron al otro, o no aprobaron ninguno de los dos, tendrán únicamente la posibilidad de regularizar, realizando el recuperatorio integral y no podrán acceder a la promoción. - Aquellos estudiantes que el promedio es de siete o superior, pero en uno de los parciales tienen nota inferior a seis, deberán recuperar dicho parcial con nota superior a seis. - A quienes el promedio le resulte 6.5 con ningún parcial inferior a seis, accederán directamente a la promoción, sin necesidad de recuperar. - Quienes tengan ambos parciales aprobados con nota inferior a seis, podrán acceder a la promoción realizando un recuperatorio integral con nota no inferior a siete. - La regularidad y promoción se consumarán cuando se hayan aprobado el plano de la torre de destilación y las memoria de cálculo de las mismas. No se prevé la promoción de la parte teórica, por lo que la aprobación de la materia será a través de un examen final teórico para quienes promocionen, y práctico teórico para quienes sólo regularicen. Trabajos de campo Se llevará a cabo un práctico en una columna de destilación de relleno (Saddle Intalox ½ ) de 4 de diámetro por 5 m de altura, con calderín en el fondo que permite la operación de la misma en proceso batch o continua. Su diseño cuenta con una gran flexibilidad de operación, permitiendo variar las condiciones para poder trabajar con una amplia variedad de mezclas, como lo requerido para la operación de recuperación de solventes, combustibles fuera de especificación, etc. Entre otras variables, se pueden modificar: flujo de alimentación, relación de reflujo de la columna, fuentes de energía, plato de alimentación, etc. La misma será controlada por un PLC con múltiples entradas/salidas analógicas/digitales, al mismo tiempo se utilizará como sistema de adquisición de datos. El PLC permitirá, entre otras, controlar variables como el flujo de alimentación a través de un lazo de control que actuará sobre los motores de las bombas, regulando la frecuencia de la corriente eléctrica. También, se podrá leer, controlar y registrar datos sobre perfil de Página 116 de 203 Anexo I Res.: 1195/11

6 temperatura a lo largo de la columna, en el calderín, en el condensador y en la corriente de reflujo. Se contará con intercambiadores de calor de carcasa y tubo para lograr un aprovechamiento óptimo de la energía en juego. La fuente de energía es completamente eléctrica y se cuenta con placas de calefacción en el calderín y en un horno de calentamiento de la alimentación. El diseño del proceso se realizó considerando como mezcla hipotética a destilar hidrocarburos de peso molecular medio, del orden de un Gasoil o Base Lubricante a presión atmosférica. El caudal de diseño está en el orden de los 200 kg/hr de materia prima. Se contará con las medidas de seguridad previstas por la normativa vigente en el país que tengan relación con las medidas pasivas y activas de defensa de la población y el medio ambiente. Entre las normas de aplicación más importantes consideradas en el diseño y montaje mecionamos Resolución SE 1102/04, Resolución SE 785/05, normas IRAM, normas NFPA y otras. Tanto la instalación eléctrica de potencia como la de control será completamente APE (a prueba de explosión) y los instrumentos deberá adecuarse a la clasificación del área que aplique, entre los que mencionaremos aquellos sometidos a áreas clase I división I que serán intrínsecamente seguros. La actividad práctica de ejercitación se llevará a cabo en los Gabinetes de Informática, ocupando el 40% del tiempo previsto para la asignatura, y un 20% en aula, el resto corresponderá al desarrollo teórico de la materia en aula. Página 117 de 203 Anexo I Res.: 1195/11