L 7
"
#
$
TClculo del calor necesario para llear la alimentaci)n a las condiciones de e.ullici)n# ( > > > > 7 : 7 L 6
>7 \: P&>\Y Cp 5g - 5o >eanoZ 1-\: P&5oluenoY Cp 56- 5o 5oluenoZ
>7 0,E2 86 Vg@ Vgmol Y 0,! Vcal@VgFC 98, - 2! FC !00 Vcal@VgZ
0,!8 92 Vg@Vgmol Y 0,E! Vcal@VgFC 98, - 2!FC 8!00 Vcal@VgZ
at%* ?!r&!tal!*, t%a)%* )!l $ab%rat%r&% )! T!#%l%g@a.
>7 22E1,36 Vcal@Vgmol E!!329, Vcal@Vgmol
>7 2E,0E Vcal@Vgmol
>L \:P&>\ Y Cp>e 5L- 5o Z 1 - \: P& 5oluenoY Cp5ol 5L- 5<Z
>L 0,E2 86 Y0,! 86, - 2!Z 0,!8 92 Y 0,E! 86, - 2!Z
>L 120,3 1E81,!E 2!1,8E Vcal@Vgmol
>: \: P&>\ Cp5& 5: - 5o 1- \:= Cp5& P& 5<L 5: - 5o
Pero 5: 5< 2!FC >: 0 ntonces ( > > > 7 7 L ( 2E,0E 2E,0E - 2!1,8E 1 0038, ;esoliendo4 ] ( 1( \ \ ( 1 : Tabla )! )at%* = 0,E2 0,E2 0,8 0,E21
?raicando estos puntos so.re el diagrama de e(uili.rio reali'ando los pasos anteriormente descritos# ";min 0,!3 ;Dmin \ " 1 0#9!3 0,!3 1 0,98 D min ;op 0,98E 0,! 0,98 1,2 "op \ ; 1 0#9!3 1,2 1 0,E3 D op
H.icando este punto de corte en el ee las respectias rectas de reparto, se o.tienen los siguientes platos te)ricos#
Plato de =limentaci)n KF !
3 Si la alimentaci)n es un apor saturado el reheridor tiene capacidad para generar 200 Vgmol@h#
Ba*an&e 'e !asa en e* Re/e$2%'o$ ?Eno$no II@
ntonces L L De
L 200 Vgmol@h 98,E Vgmol@h 298,E Vgmol@h Re*a&%)n 'e Re"*u(o ;D L D 298,E 69,188 E,31 "ntercepto " " \ ; 1 0,9!3 E,31 1 0,18 D D
H.icando este punto de corte con el ee, ] las respectias rectas de reparto, se o.tuo (ue4 ?raica KF 3
KF de platos ideales 6 calder+n Plato de alimentaci)n KF E
C Calor retirado por el condensador el suministrado por el reheridor para cual(uiera de los tres casos#
1.-Calor retirado por el condensador &e'cla apor saturado V AA $=V > 7+ Va%r *at(ra)% '= 0, V= 200 g%l/h '= L L : $ AV
ala#! )! !*a ! !l #%)!*a)%r ?t%r% AV
V= $ > 8+
L 298, E Vgmol@h
De 8 7 36,6 Vgmol@h Qc 7#
\D >\# P&>\ 1 - \D 5olP&5ol
0,9!3# !00 Vcal@Gg# 8E Vg@Vgmol 1-0,9!3# 8!00 Vcal@Gg 92 Vg@ Vgmol
631EE Vcal@Vgmol#
Qc 36,6 Vgmol@h 631EE Vcal@Vgmol 23E 106 Vcal@h
Ca*o$ su!%n%s$a'o 3o$ e* $e/e$2%'o$ # Qsum 7
7 200 Vgmol@h
\B >\ P& >\ 1-\B 5ol P& 5ol
\B 0,0!!, sustituendo los alores respectios
36E0 Vcal@Vgmol
Qsum 36E0 200 1!E,28 106Vcal@h
Qsum 1!E,28 106Vcal@h
DISEÑO DE ETRACCION LIQUIDO.LIQUIDO
La etracci)n l+(uido - l+(uido consiste en la separaci)n de los constituentes de una disoluci)n l+(uida por contacto con otro l+(uido inmisci.le (ue disuele preerentemente a uno de los constituentes de la disoluci)n original, dando lugar a la aparici)n de dos capas li(uidas inmisci.les de dierente densidades# La disoluci)n a tratar se denomina alimentaci)n, reci.iendo el nom.re de disolente el l+(uido (ue se pone en contacto con ella# Despu/s del contacto entre la alimentaci)n el disolente se o.tiene dos ases l+(uidas, denominadas4 etracto la ms rica en disolente reinado la mas po.re en
disolente# Separando el disolente del etracto del reinado se o.tiene el producto etra+do el producto reinado#
Como lo (ue se pretende en la etracci)n es diidir la disoluci)n l+(uida original en producto etra+do en producto reinado, es undamental la separaci)n del disolente a*adido a la disoluci)n# De a(u+ (ue la recuperaci)n del disolente haa de poder eectuarse de modo sencillo econ)micoA generalmente se reali'a por destilaci)n, eaporaci)n o saliniicaci)n#
n cual(uier proceso de etracci)n se necesita4
1# Contacto de la disoluci)n l+(uida original con el disolente#
2# Separaci)n de las ases l+(uidas ormadas etracto reinado# 3# ;ecuperaci)n del disolente#
stos tres apartados constituen lo (ue se denomina estadio, etapa o unidad de etracci)n, (ue reci.e el nom.re de ideal o te)rico cuando el contacto entre la disoluci)n l+(uida el disolente ha sido lo suiciente +ntimo para (ue las ases l+(uidas separadas tengan las concentraciones correspondientes a condiciones de e(uili.rio# Los diersos m/todos de etracci)n diieren en la orma de eectuar la me'cla con el disolente el la separaci)n de las rases ormadas en cada uno de los estadios o etapas#
Ana*o56a &on *a 'es%*a&%)n-
n el estudio de los diersos procesos de etracci)n es recuentemente %til recordar los procesos paralelos de destilaci)n, (ue en general son meor conocidos# n los procesos de destilaci)n, se separa en sus componentes una me'cla de dos sustancias por creaci)n de dos ases, un l+(uido un apor, por adici)n de calor, la separaci)n se eect%a en irtud del hecho de (ue la concentraci)n de la ase de apor se consigue por eliminaci)n de calor# n la etracci)n, se orman dos ases l+(uidas por adici)n de una disolente inmisci.le, (ue as+ resulta al anlogo del calor# Como la concentraci)n relatia de las su.stancias (ue han de separarse es dierente en las dos ases, la sedimentaci)n +sica de las capas l+(uidas produce el grado de separaci)n deseado# La eliminaci)n del disolente de la ase rica en disolente es as+ la operaci)n anloga a la condensaci)n del apor en el caso de la destilaci)n# La ta.la 3 indica las situaciones anlogas#
Ana*o56a en$e EH$a&&%)n 1 Des%*a&%)n O3e$a&%)n o &on'%&%)n en *a
eH$a&&%)n Ana*o56a en *a Des%*a&%)n
=dici)n de disolente =dici)n de calor
&e'clador del disolente ;eheridor
liminaci)n del disolente liminaci)n de calor
Separaci)n del disolente Condensador
Soluci)n rica en disolente saturada de
disolente 7apor en el punto de e.ullici)n
disolente (ue el necesario para
saturarla 7apor so.recalentado
Soluci)n rica en disolente, con menos disolente (ue el necesario para
saturarla
L+(uido por de.ao del punto de e.ullici)n#
Soluci)n po.re en disolente saturada
de disolente L+(uido en el punto de e.ullici)n &e'cla li(uida de dos ases &e'cla de l+(uida apor
Selectiidad 7olatilidad relatia
Cam.io de temperatura Cam.io de presi)n
E*e&&%)n 'e* D%so*2ene
Por lo com%n se tiene la amplia posi.ilidad de elegir entre los l+(uidos (ue se an a utili'ar como disolentes para las operaciones de etracci)n# s poco pro.a.le (ue cual(uier l+(uido particular ehi.a todas las propiedades (ue se consideran desea.les para la etracci)nA generalmente se tiene (ue llegar a un cierto acuerdo# Las siguientes caracter+sticas son las (ue de.en considerarse antes de tomar una decisi)n4
:- Se*e&%2%'a', La eectiidad del disolente B para separar los componentes de una soluci)n de = C, se mide comparando la relaci)n entre C = en la ase rica en B con esa relaci)n en la ase rica en = en el e(uili.rio# La relaci)n de las relaciones, el actor de separaci)n, o selectiidad, , es anloga a la olatilidad relatia en la destilaci)n# Si ; son las ases del e(uili.rio,
; en = de peso racci)n @ ; en C de peso racci)n e en = de peso racci)n @ en C de peso racci)n en = de peso racci)n J \ ; en = de peso racci)n J ] ;
Para todas las operaciones de etracci)n %tiles la selectiidad de.e ser maor de uno, cunto ms meor# Si la selectiidad es uno, la separaci)n no es posi.le#
- Coe"%&%ene 'e D%s$%0u&%)n
ste coeiciente es la relaci)n J @ en el e(uili.rio# &ientras (ue no es necesario (ue el coeiciente de distri.uci)n sea de 1, los alores ms grandes resultan mas adecuados, puesto (ue se re(uerir menos disolente para la etracci)n#
- Re&u3e$a0%*%'a',
Siempre es necesario recuperar el disolente para olerlo a utili'arA generalmente, la recuperaci)n se hace mediante otras de las operaciones de transerencia de masa, con recuencia por destilaci)n# Si se a la utili'ar la destilaci)n, el disolente no de.e ormar un a'eotropo con el soluto etra+doA
recuperaci)n no sea cara# La sustancia en el etracto, a sea
disolente o soluto, (ue est presente en la menor cantidad, de.e ser la ms oltil, con el in de reducir los costos de calor# Si el disolente se de.e olatili'ar, su calor latente de apori'aci)n de.e ser pe(ue*o#
- Dens%'a',
s necesaria una dierencia en las densidades de las ases l+(uidas saturadas, tanto para la operaci)n con e(uipo por etapas como de contacto continuo# Cuanto maor sea la dierencia tanto meor#
- Tens%)n Ine$"a&%a*,
Cuanto maor sea la tensi)n interacial, mas rpidamente ocurrir la coalescencia de las emulsiones, pero ser maor la diicultad para la dispersi)n de un l+(uido en el otro# ?eneralmente, la coalescencia es mu importanteA por lo tanto, la tensi)n interacial de.e ser alta# La tensi)n interacial entre ases en el e(uili.rio en sistemas, cae a cero en el punto de pliegue#
J- Rea&%2%'a' Qu6!%&a,
l disolente de.e ser esta.le e inerte (u+micamente rente a los dems componentes del sistema rente a los materiales comunes de construcci)n# - V%s&os%'a'+ 3$es%)n 'e 2a3o$ 1 3uno 'e &on5e*a!%eno
De.en ser .aos, para acilitar el maneo el almacenamiento#
K- E* '%so*2ene 'e0e se$ no )H%&o+ no %n"*a!a0*e 1 'e 0a(o &oso M#o'os 'e C8*&u*o-
n todas nuestras consideraciones supondremos (ue4
1 n cada etapa se reali'a el contacto entre la alimentaci)n el disolente#
2 Las etapas son te)ricas o ideales, es decir, (ue se alcan'a el e(uili.rio entre el etracto el reinado#
3 >a separaci)n de las ases ormadas# E Se recupera el disolente#
Los m/todos de clculo del n%mero de etapas dependen de los m/todos de contacto empleados en el proceso de etracci)n# stos se clasiican en4
= Contacto sencillo discontinuo
B Contacto m%ltiple en corriente directa continuo o discontinuo C Contacto m%ltiple en contracorriente continuo
E7EMPLO, 100 Vg de una disoluci)n de = C, de composici)n 30I en peso de C, se somete a un proceso de etracci)n en corriente directa empleando como disolente el componente B# La operaci)n se eect%a en tres etapas utili'ando !0 Vg de B en cada etapa# Calc%lese4
a La cantidad composici)n del etracto del reinado en cada una de las etapas#
. La cantidad composici)n del producto etra+do del producto reinado#
c La composici)n mima de C (ue puede lograrse con este m/todo de etracci)n#
Las composiciones de ases conugadas para este sistema, en peso I, son las siguientes4
;einado tracto A B C A B C 9!,0 !,0 0,0 10,0 90,0 0,0 92,! !,0 2,! 10,1 82,0 ,9 89,9 !,1 !,0 10,8 E,2 1!,0 3,3 !,2 ,! 11,! 6,! 21,0 8E,6 !,E 10,0 12, 61,1 26,2 81,9 !,6 12,! 1E,2 !!,8 30,0 9,1 !,9 1!,0 1!,9 !0,3 33,8 6,3 6,2 1,! 1,8 E!, 36,! 3,E 6,6 20,0 19,6 E1,E 39,0 6,! ,! 2!,0 2E,6 32,9 E2,! 61,1 8,9 30,0 28,0 2,! EE,! !E,E 10,6 3!,0 33,3 21, E!,0
E6,6 13,E E0,0 E0,! 16,! E3,0
E3,E 1!,0 E1,6 E3,E 1!,0 E1,6
So*u&%)n,
:e$a- Ea3a, so.re el diagrama triangular tra'amos la recta B: so.re ella locali'amos el punto &1, teniendo en cuenta (ue4
&1 : B 100!0 1!0 Vg# \&1 0,20 1!0 0,30 # 100
Las composiciones del etracto del reinado se leen en las interacciones de la recta de reparto (ue pasa por &1 con la cura .inodal, encontrado4
]1 0,28
\1 0,113
1 3 3 0,11 - 0,28 0,11 - 0,20 # 1!0 ;1 1!0-8,1 1,9 Vg
'a- Ea3a, se tra'a la recta B;1 so.re ella se locali'a el punto &2 teniendo
en cuenta (ue4 &2 ;1B2 1,9 !0 121,9 Vg# \&2 121,9 0,11 # 1,9 3 0,06
Las composiciones del etracto el reinado procedentes de esta etapa se leen en las interacciones de la recta de reparto (ue pasa por & 2 con la cura
.inodal, encontrando4
]2 0,100
\2 0,031
Las cantidades de etracto reinado sern 2 0,031 - 0,100 0,031 - 0,06 121, 6E,! ;2 121,9-6E,! !,E Vg#
$a- Ea3a, procedimiento del mismo modo (ue para las etapas anteriores, resulta4
&3 !,E!0 10,E Vg#
\&3 10,E 0,031 !,E 0,016 ]3 0,023 \3 0,008 3 0,008 - 0,023 0,008 - 0,016 10,E 60,2 Vg# ;3 10,E N 60,2 E,2 Vg#
a@ La composici)n del reinado le+da so.re el diagrama
punto ;3 es 0,0!0A por consiguiente, la cantidad de producto
reinado ser4
;W E,2 1-0,0!0 EE,8 Vg#
La composici)n del producto reinado se lee en la intersecci)n de la recta B; 3
con el lado =C, resultando4
\ 0,009 La cantidad total de etracto ser4
8,1 6E,! 60,2 202,8 Vg# La cantidad de C en el etracto ser4
8,1 # 0,28 6E,! # 0,100 60,2 # 0,023 29, Vg# La cantidad de = en el producto etra+do ser4
1001-0,30 N EE,81-0,009 2!,6 Vg# La cantidad total de producto etra+do ser4
W 29, 2!,6 !!,3 La composici)n del producto etra+do ser4
EQUIPOS DE ADSORCION
La adsorci)n es un proceso de separaci)n en la (ue ciertos componentes de una ase luida se transieren hacia la supericie de un s)lido adsor.ente# ?eneralmente las pe(ue*as part+culas de adsor.ente se mantienen en un lecho io mientras (ue el luido pasa continuamente a tra/s del lecho hasta (ue el s)lido est prcticamente saturado no es posi.le alcan'ar a la separaci)n deseada# Se des+a entonces el luo hacia un segundo lecho hasta (ue el a.sor.ente saturado es sustituido o regenerado# l intercam.io de ion es otro proceso (ue generalmente se llea a ca.o en semi-continuo en un lecho io de orma similar# =s+, agua (ue se desea a.landar o desioni'ar se hace pasar so.re un lecho de eseras de resina de intercam.io de ion, situadas en una columna, hasta (ue la resina alcan'a prcticamente la saturaci)n#
De esta orma, pueden separarse unos de otros los componentes de soluciones gaseosas o l+(uidas# Hnos cuantos eemplos indicarn la naturale'a general posi.le de las separaciones al mismo tiempo la gran ariedad de aplicaciones prcticas# n el campo de las separaciones gaseosas, la adsorci)n se utili'a para deshumidiicar aire otros gases, para eliminar olores e impure'as desagrada.les de gases industriales como di)ido de car.ono, para recuperar apores aliosos de disolentes a partir de me'clas diluidas con aire otros gases para raccionar me'clas de gases de hidrocar.uros (ue contienen sustancias como metano, etileno, etano, propileno propano# Las separaciones t+picas de l+(uidos incluen la eliminaci)n de humedad disuelta en gasolina, decoloraci)n de productos de petr)leo soluciones acuosas de a'%car, eliminaci)n de sa.or olor desagrada.les del agua el raccionamiento de me'clas de hidrocar.uros aromticas para+nicos# La escala de operaciones a desde el uso de unos cuantos gramos de adsor.ente en el la.oratorio hasta las plantas industriales, cuo inentario de adsor.ente ecede los 13!#000 Vg#
A'so$0enes 1 3$o&esos 'e a'so$&%)n-
La maor parte de los adsor.entes son materiales altamente porosos la adsorci)n tiene lugar undamentalmente en el interior de las part+culas so.re las paredes de los poros en puntos espec+icos# Puesto (ue los poros son generalmente mu pe(ue*os, el rea de la supericie interna es arios ordenes de magnitud superior al rea eterna puede alcan'ar alores tan eleado como 2000 m2@g# La separaci)n se produce de.ido a (ue dierencias de peso
molecular o de polaridad dan lugar a (ue algunas mol/culas se adhieran ms uertemente a la supericie (ue otras# n muchos casos el componente (ue se adsor.e adsor.ato se ia tan uertemente (ue permite una separaci)n completa de dicho componente desde un luido sin apenas adsorci)n de otros componentes# l adsor.ente puede regenerarse con el in de o.tener el adsor.atado en orma concentrada o prcticamente pura#
Equ%*%0$%os %soe$!as 'e a'so$&%)n
La isoterma de adsorci)n es la relaci)n de e(uili.rio entre la concentraci)n en la ase luida la concentraci)n en las part+culas de adsor.ente a una temperatura determinada# Para el caso de gases la concentraci)n iene generalmente dada como racci)n molar o como presi)n parcial# Para l+(uidos la concentraci)n se epresa ha.itualmente en unidades de masa, tales como partes por mill)n# La concentraci)n de adsor.ato so.re el s)lido iene dada como masa adsor.ida por unidad de masa de adsor.ente original#
T%3o 'e %soe$!as-
n la igura inerior se presentan algunas ormas t+picas de isotermas# La isoterma lineal pasa por el origen de coordenadas la cantidad adsor.ida es proporcional a la concentraci)n en el luido# Las isotermas (ue son coneas hacia arri.a se denominan aora.les, de.ido a (ue puede o.tenerse una carga relatiamente eleada del s)lido para una .aa concentraci)n en el luido# La isoterma de Langmuir, " # bc$%& ' (c!) donde " es la carga de adsor.ato, c es la concentraci)n en el luido b ( son constantes, es del tipo aora.leA
cuando (c 1, la isoterma es altamente aora.le, mientras (ue cuando (c M
1 la isoterma es prcticamente lineal# Desaortunadamente, la isoterma de Langmuir, (ue tiene una .ase te)rica sencilla, no permite austar .ien un eleado n%mero de sistemas de adsorci)n +sica# La ecuaci)n emp+rica de :reundlich, " # bc m , donde m M 1, conduce generalmente a un meor auste, especialmente para la adsorci)n a partir de l+(uidos#
Isoe$!as 'e a'so$&%)n
sta ecuaci)n en ees cartesianos representa una par.ola, " es la masa de
sustancia ad.or.ida por unidad de masa de adsor.enteA c es la concentraci)n
inal de e(uili.rio del adsor.ato, m es una constante (ue oscila entre 0,2 1, para todas las sustancias ensaadas, . es otra constante, (ue depende entre otras cosas de la naturale'a de la supericie del adsor.ente# =l aumentar la temperatura cr+tica de los adsor.atos suele disminuir m, pero aumenta . de orma ms inluente#
5odos los sistemas presentan una disminuci)n de la cantidad adsor.ida al aumentar la temperatura , por supuesto, el adsor.ato puede desor.erse aumentando la temperatura, aun para los casos titulados Oirreersi.les# Sin em.argo, la desorci)n re(uiere una temperatura mucho ms eleada cuando la adsorci)n es mu aora.le o irreersi.le (ue cuando las isotermas responden a un modelo lineal#
Hna isoterma (ue es c)ncaa hacia arri.a reci.e el nom.re de desaora.le de.ido a (ue se o.tienen cargas del s)lido relatiamente .aas a (ue conducen a largas 'onas de transerencia de materia en el lecho# Las isotermas de esta orma son raras pero resultan interesantes para audar a comprender el proceso de regeneraci)n# Si la isoterma de adsorci)n es aora.le, la transerencia de materia desde el s)lido hacia la ase luida tiene caracter+sticas similares a las de adsorci)n con una isoterma desaora.le# Los datos de adsorci)n para apores de hidrocar.uros so.re car.)n actio se austan en ocasiones a isotermas de :reundlich, pero en un amplio interalo de presiones las pendientes de las isotermas disminuen gradualmente al aumentar la presi)n# La cantidad adsor.ida depende undamentalmente de la relaci)n entre la presi)n parcial de adsor.ato en el gas la presi)n de apor del l+(uido en las mismas condiciones, as+ como del rea supericial del car.)n# Se han desarrollado correlaciones generali'adas .asadas en el concepto de potencial de adsorci)n, en la igura 0 se presentan algunos resultados para parainas compuestos de a'ure# Para una determinada clase de materiales la cantidad adsor.ida depende de %*$+! log %f s $f!, siendo 5 la temperatura de adsorci)n, s la ugacidad del l+(uido saturado a la temperatura de adsorci)n la ugacidad del apor# Para adsorci)n a la presi)n atmos/rica se utili'an la presi)n parcial la presi)n de apor en lugar de las ugacidades# l olumen adsor.ido se conierte a masa suponiendo (ue el l+(uido adsor.ido tiene la misma densidad (ue el l+(uido a la temperatura de e.ullici)n#
E7EMPLO, Se utili'a adsorci)n so.re car.)n BPL para tratar una corriente de aire (ue contiene 0,2 por 100 de n-heano a 20 FC# a st+mese la capacidad de e(uili.rio para la operaci)n de un lecho a 20 FC# . Cunto disminuir la capacidad si el calor de adsorci)n aumentase la temperatura del lecho hasta E0 FCf
So*u&%)n,
a l peso molecular del n-heano es 86,1# = 20 FC seg%n Perr, OChemical ngineerWs >and.ooG, !# De#, p# 3-!6, P 120 mm >g %
s = la temperatura normal de e.ullici)n 68, FC, L 0,61! g@cm3-
La presi)n de adsorci)n P es 6!0 mm >g, p 0,002 60 1,!2 mm >g %
7 86,1 1E0,1 cm 3 g mol /
5 7 log 293 1E0,1 log 120 1,!2 3,9 s
= partir de la igura 0, el olumen adsor.ido es 31 cm3 de l+(uido por
cada 100 g de car.)n4 X 0#31 0,61! 0,19 g@g car.)n . = E0FC P 26 mm >g 5 7 log 313 1E0,1 log 26 1,!2 !,0! s
l olumen adsor.ido, es 2 cm3 por 100 g de car.)n4
X 0,2 0,61! 0,1 g@g car.)n A'so$0enes %n'us$%a*es,
n general, los a.sor.entes son s)lidos porosos, de gran supericie , los ms actios, amoros# = pesar de estas propiedades generales, no es posi.le dar normas concretas (ue permitan predecir si un cuerpo ser o no .uen adsor.ente# :+sicamente son sustancias pulerulentas o granulares# l tama*o del grano suele oscilar entre 0#! - 20 mm# Para hacer maor la permea.ilidad -m+nima compacidad- se suele tra.aar siempre con tama*os uniormes# Cuando el lecho es esttico, el tama*o mimo del adsor.ente iene iado en