OPERACIONES UNITARIAS III Clase introductoria

(1)

Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química

Dpto. 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 tener

para entender esta materia?

OPERACIONES UNITARIAS EN

INGENIERÍA QUÍMICA

Proceso

Materia 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 SEPARACIÓN

CARACTERISTICAS

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.

(5)

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. Destilación Agente 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: Principio 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

(6)

3. Absorción de gases Agente de Separación: Principio de Separación: Ejemplo Industrial Líquido no volátil Solubilidad preferencial

Eliminación de CO2y H2S de gas natural

por absorción en etanolaminas

Ge Gs 4. Extracción Líquido-Líquido Agente de Separación: Principio 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

I.1 PROCESOS EQUILIBRADOS [2,3]

5. Extracción Sólido-Líquido

Agente de Separación: Principio de Separación: Ejemplo Industrial

Disolvente

Extracción de azúcar de la remolacha

L´ S Ss L Solubilidad preferencial 6. Cristalización 7. Evaporación 8. Adsorción 9. Intercambio Iónico 10. Secado de Sólidos 11.Ósmosis 12.Flotación … entre otros… [2,3,4]

(7)

I.2 PROCESOS DE SEPARACIÓN

CONTROLADOS POR LA VELOCIDAD

1. Difusión Gaseosa

2. Diálisis

Agente de Separación: Principio de Separación:

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

Membrana selectiva, disolvente

Riñon artificial

Velocidades diferentes de transporte difusional a través de una membrana 3. Espectrometría de Masa. 4. Difusión Térmica 5. Electrodiálisis 6. Electroforesis 7. Ósmosis Inversa. 8. Ultrafiltración … entre otros.. [2,3]

I.2 PROCESOS DE SEPARACIÓN

CONTROLADOS POR LA VELOCIDAD

(8)

II. PROCESOS DE SEPARACIÓN MECÁNICA

1. Sedimentación 2. Ciclón L+S L S Agente de Separación: Principio de Separación: Ejemplo Industrial Gravedad

Clarificación de aguas residuales Diferencia de densidad

Flujo (inercia)

Eliminación de polvos de gases Diferencia de densidad

3. Filtración

4. Centrifugación.

5. Eliminador de nieblas.

6. Precipitación electrostática [2]

(9)

FACTOR DE SEPARACIÓN

[2]

Indicador del grado de separación real.

α

ijs

Proceso de Separación Alimentación i,j Agente de Separación: Masa o Energía Producto 1 (Xi, Xj)1 Producto2 (Xi, Xj)2 ₂ 2 1 1 j i j i s ij

x





Si:

• α

_ijs

₌₁

• α

_ijs

_>1

• α

_ijs

_<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

INHERENTE

Indicador del grado de separación bajo condiciones IDEALES, se denota sin supraíndice:

α

ij

•Para procesos equilibrados, αij: corresponde a composiciones de productos que se obtendrían cuando se alcance el

EQUILIBRIOentre 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

α

ijs

o α

ij?

•

Se usa

α

ij cuando es fácil de obtener y se toma en cuenta las desviaciones de la idealidad usando EFICACIAS.

• Se usa

α

ijs deducido empíricamente para procesos complejos.[2] • Si

α

ij =1

α

ijs =1 No hay separación

(10)

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]

EQUILIBRIO

Condición 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.

 



_



_i



_i



...



_i

Criterio de equilibrio: Potencial químico

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

f

ˆ



ˆ



...



ˆ

“i” : componentes α, 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 libertad

π : nº de fases

N: nº de componentes

Sin reacción química

(11)

EQUILIBRIO Líquido- Vapor

cualitativo

L V Si hay 2 componentes, N= 2 F= 2- π + N F= 2- π + 2= 4 - π Si hay 2 fases, π= 2 F= 4 – π

F = 2 2 grados de libertad Presión Temperatura Composición

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 Pxypara acetonitrilo(1) /nitrometano(2)

a 75ºC (Ley de Raoult) Diagrama Txya 70KPa (Ley de Raoult)para acetonitrilo(1) /nitrometano(2)

P-x1Liquido saturado. Punto de Burbuja

P-y1Vapor saturado. Punto de Rocío. [5]

T-x1Liquido saturado. Punto de Burbuja

(12)

Formulación de EVL

i i i i i l i v i

f

x

P

y

f

.

ˆ

.

ˆ







sat i i i i i sat i i i sat i sat i i i i i sat i sat i sat i l i

P

x

P

y

P

x

P

y

P

f

.

ˆ

.

ˆ

.



















Simplificaciones. [5,6]

Fase vapor: Ideal Φi=1

Fase líquida: Solución Ideal i=1 sat i i i

P

x

P

y

.



.

Ley de Raoult

Fase vapor: Ideal Φi=1

Fase líquida: Solución Real i ≠ 1

sat i i i i

P

x

P

y

.



.



.

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:Azeótropo

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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”.