Ingenieria de procesos de separacion 2edi wankat ipt

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Prefacio xvAgradecimientos xviiAcerca del autor xixNomenclatura xxi

Capítulo 1 Introducción a la ingeniería de procesos de separación 1

1.1. Importancia de las separaciones 1 1.2. El concepto de equilibrio 2 1.3. Transferencia de masa 4 1.4. Métodos para resolver los problemas 5 1.5. Prerrequisitos 7 1.6. Otras fuentes sobre ingeniería de procesos de separación 8 1.7. Resumen–Objetivos 9 Referencias 9 Tarea 10

Capítulo 2 Destilación instantánea 12

2.1. Método básico de destilación instantánea 12 2.2. Forma y fuentes de los datos de equilibrio 14 2.3. Representación gráfica del equilibrio binario vapor-líquido 16 2.4. Destilación instantánea binaria 21

2.4.1. Procedimiento secuencial de solución 21 Ejemplo 2-1. Separador de evaporación instantánea para etanol y agua 242.4.2. Procedimiento de solución simultánea 27

2.5. Equilibrio vapor-líquido con varios componentes 29 2.6. Destilación instantánea de varios componentes 34 2.7. Convergencia simultánea con varios componentes 40 2.8. Cálculo de los tamaños 45 2.9. Uso de tambores de destilación existentes 49 2.10. Resumen–Objetivos 50 Referencias 51 Tarea 52 Apéndice al capítulo 2 Simulación en computadora de la destilación instantánea 59

Capítulo 3 Introducción a la destilación en columna 65

3.1. Desarrollo de una cascada de destilación 65 3.2. Equipo de destilación 72 3.3. Especificaciones 74 3.4. Balances externos de la columna 76

3.5. Resumen–Objetivos 81 Referencias 81 Tarea 81

Capítulo 4 Destilación en columna: balances internos, etapa por etapa 86

4.1. Balances internos 86 4.2. Métodos de solución de etapa por etapa, para destilación binaria 90

4.3. Introducción al método de McCabe-Thiele 97 4.4. Línea de alimentación 101

4.5. Método completo de McCabe-Thiele 109

4.6. Perfiles para destilación binaria 112 4.7. Calentamiento con vapor directo 114

4.8. Procedimiento general de análisis McCabe-Thiele 118

4.9. Otras situaciones en las columnas de destilación 1254.9.1. Condensadores parciales 1254.9.2. Vaporizadores totales 1264.9.3. Corrientes laterales o líneas de salida 1264.9.4. Vaporizadores intermedios y condensadores intermedios 1284.9.5. Columnas de agotamiento y enriquecimiento 129

4.10. Condiciones límite de operación 1304.11. Eficiencias 1334.12. Problemas de simulación 1354.13. Usos nuevos para columnas viejas 1364.14. Reflujo subenfriado y vapor sobrecalentado al plato inferior 1384.15. Comparaciones entre los métodos analíticos y los gráficos 1404.16. Resumen–Objetivos 142 Referencias 143 Tarea 144 Apéndice al capítulo 4 Simulaciones de destilación binaria en computadora 158

Capítulo 5 Introducción a la destilación de varios componentes 161

5.1. Dificultades de cálculo 161

5.2. Perfiles para destilación de varios componentes 167 5.3. Resumen–Objetivos 172 Referencias 172 Tarea 172

Capítulo 6 Procedimientos de cálculo exacto para destilación de varios componentes 176

6.1. Introducción a la solución matricial para destilación de varios componentes 176 6.2. Balances de masa de componentes en forma de matrices 178 6.3. Proposición inicial para tasas de flujo 181 6.4. Cálculos de punto de burbuja 181

6.5. Método θ de convergencia 184

θ 6.6. Balances de energía en forma matricial 191 6.7. Resumen–Objetivos 194 Referencias 195 Tarea 195 Apéndice al capítulo 6 Simulaciones en computadora de columnas

de destilación de varios componentes 200

Capítulo 7 Métodos abreviados aproximados para destilación de varios componentes 205

7.1. Reflujo total: Ecuación de Fenske 205

7.2. Reflujo mínimo: Ecuaciones de Underwood 210

7.3. Correlación de Gilliland para la cantidad de etapas a relación de reflujo finita 215

Capítulo 8 Introducción a métodos complejos de destilación 225

8.1. Ruptura de azeótropos con otros separadores 225

8-2. Procesos de destilación azeotrópica binaria heterogénea 2278.2.1. Azeótropos heterogéneos binarios 2278.2.2. Secado de compuestos orgánicos parcialmente miscibles con agua 230

8.3. Destilación por arrastre de vapor 234 8.4. Procesos de destilación a dos presiones 238 8.5. Sistemas ternarios complejos de destilación 239

8.5.1. Curvas de destilación 2408.5.2. Curvas de residuo 243

8.6. Destilación extractiva 245 8.7. Destilación azeotrópica con solvente agregado 251 8.8. Destilación con reacción química 255 8.9. Resumen–Objetivos 258 Referencias 258 Tarea 260 Apéndice al capítulo 8 Simulación de sistemas complejos de destilación 270

Capítulo 9 Destilación intermitente 276

9.1. Destilación intermitente binaria: Ecuación de Rayleigh 278

9.2. Destilación intermitente binaria simple 279

9.3. Destilación intermitente a nivel constante 283 9.4. Destilación intermitente por arrastre con vapor de agua 284 9.5. Destilación intermitente en varias etapas 285

9.5.1. Relación de reflujo constante 286

9.5.2. Relación de reflujo variable 290 9.6. Tiempo de operación 291 9.7. Resumen–Objetivos 292 Referencias 292 Tarea 293

Capítulo 10 Diseño de columnas de platos y empacadas 301

10.1. Descripción de los equipos en las columnas de platos 30110.1.1. Platos, bajantes y vertederos 30410.1.2. Entradas y salidas 306

10.2. Eficiencias de platos 309

10.3. Cálculo del diámetro de la columna 314

10.4. Distribución y consideraciones hidráulicas para platos perforados 320

10.5. Diseño de platos de válvulas 327 10.6. Introducción al diseño de columnas empacadas 329 10.7. Partes internas de las columnas empacadas 329 10.8. Altura del empaque. Método de la Hetp 331 10.9. Inundación de la columna empacada y cálculo del diámetro 333

10.10. Consideraciones económicas 34110.11. Resumen–Objetivos 345 Referencias 345 Tarea 348

Capítulo 11 Economía y conservación de energía en la destilación 354

11.1. Costos de destilación 354 11.2. Efectos de la operación sobre los costos 359

11.3. Cambios en capacidades de la planta 366 11.4. Conservación de la energía en la destilación 366 11.5. Síntesis de secuencias de columnas para destilación de varios componentes

casi ideales 370

11.6. Síntesis de sistemas de destilación para mezclas ternarias no ideales 376

Capítulo 12 Absorción y arrastre 385

12.1. Equilibrios de absorción y arrastre 387 12.2. Líneas de operación para absorción 389

12.3. Análisis del arrastre 394 12.4. Diámetro de la columna 396 12.5. Solución analítica: La ecuación de Kremser 397

12.6. Absorbedores y separadores de arrastre con varios solutos diluidos 403 12.7. Solución matricial para absorbedores y separadores de arrastre

con soluciones concentradas 406 12.8. Absorción irreversible 410 12.9. Resumen–Objetivos 411 Referencias 412 Tarea 413 Apéndice al capítulo 12 Simulaciones de absorción y arrastre en computadora 421

Capítulo 13 Extracción inmiscible, lavado, lixiviación y extracción supercrítica 424

13.1. Procesos y equipos de extracción 424 13.2. Extracción a contracorriente 428

13.2.1. Método de McCabe-Thiele para sistemas diluidos 428

13.2.2. Método de Kremser para sistemas diluidos 434 13.3. Extracción fraccionada diluida 435 13.4. Extracción en una etapa y con flujo cruzado 439

13.5. Extracción con fases inmiscibles y concentradas 443 13.6. Extracción intermitente 444 13.7. Procedimientos generalizados de McCabe-Thiele y de Kremser 445 13.8. Lavado 448

13.9. Lixiviación 45213.10. Extracción con fluido supercrítico 45413.11. Aplicación a otras separaciones 45713.12. Resumen–Objetivos 457 Referencias 457 Tarea 459

Capítulo 14 Extracción de sistemas parcialmente miscibles 468

14.1. Equilibrios en extracción 468 14.2. Cálculos en mezclado y la regla de la palanca 471 14.3. Sistemas de una etapa y flujo cruzado 474

14.4. Cascadas de extracción a contracorriente 47714.4.1. Balances externos de masa 47714.4.2. Puntos de diferencia y cálculos de etapa por etapa 47914.4.3. Problema completo de extracción 483

14.5. Relación entre los diagramas de McCabe-Thiele y triangulares 485 14.6. Flujo mínimo de solvente 486 14.7. Simulaciones de la extracción en computadora 488 14.8. Lixiviación con tasas de flujo variables 489

14.9. Resumen–Objetivos 492 Referencias 492 Tarea 493 Apéndice al capítulo 14 Simulación de la extracción en computadora 499

Capítulo 15 Análisis de la transferencia de masa 501

15.1. Fundamentos de la transferencia de masa 501 15.2. Análisis de las columnas de destilación con altura y número de unidades

de transferencia (HTU y NTU) 504

15.3. Relación entre HETP y HTU 511 15.4. Correlaciones de transferencia de masa para torres empacadas 513

15.4.1. Correlaciones detalladas para empaques aleatorios 513

15.4.2. Correlaciones sencillas 520 15.5. Análisis HTU-NTU de absorbedores y separadores de arrastre 521

15.6. Análisis HTU-NTU de absorbedores concurrentes 526 15.7. Transferencia de masa en un plato 528

Capítulo 16 Introducción a los procesos de separación con membrana 535

16.1. Equipos de separación con membrana 537 16.2. Conceptos relacionados con las membranas 541 16.3. Permeación de gases 544

16.3.1. Permeación de mezclas binarias de gases 54416.3.2 Permeación binaria en sistemas perfectamente mezclados 547

16.3.3 Permeación de varios componentes en sistemas perfectamente mezclados 555

16.4. Ósmosis inversa 55816.4.1. Análisis de la ósmosis y la ósmosis inversa 558

16.4.2. Determinación experimental de las propiedades de las membranas 564

16.4.3. Determinación de la polarización de concentración 566

16.4.4. Ósmosis inversa con soluciones concentradas 573 16.5. Ultrafiltración 573

16.6. Pervaporación 579

16.7. Efectos de la pauta de flujo general 588

16.7.1. Permeación binaria con flujo cruzado 59016.7.2. Permeación binaria concurrente 59216.7.3. Flujo binario a contracorriente 594

16.8 Resumen–Objetivos 595 Referencias 596 Tarea 597 Apéndice al capítulo 16 hojas de cálculo para cálculos con pautas de flujo,

para permeación de gases 60316.A.1. Flujo cruzado 60316.A.2. Flujo concurrente 60516.A.3. Flujo a contracorriente 607

Capítulo 17 Introducción a la adsorción, cromatografía e intercambio iónico 609

17.1. Sorbentes y equilibrio de sorción 61017.1.1. Definiciones 61017.1.2. Tipos de sorbente 61217.1.3. Comportamiento de equilibrio en adsorción 615

17.2. Análisis del movimiento de soluto para sistemas lineales: fundamentos y aplicaciones a la cromatografía 62117.2.1. Movimiento del soluto en una columna 62317.2.2. Teoría del movimiento del soluto para isotermas lineales 62517.2.3. Aplicación de la teoría lineal del movimiento del soluto a ciclos

de purga y a la cromatografía de elución

17.3. Análisis de movimiento de soluto para sistemas lineales: Adsorción térmica y con variación de presión, y movimiento simulado de lecho 63117.3.1. Adsorción con oscilación de temperatura 631

17.3.2. Adsorción con oscilación de presión 641

17.3.3. Lechos móviles simulados 649

17.4. Análisis de movimiento no lineal del soluto 65417.4.1. Ondas difusas 655

17.4.2. Ondas de choque 658

17.5. Intercambio iónico 66317.5.1. Equilibrio en el intercambio iónico 66417.5.2. Movimiento de los iones 667

17.6. Transferencia de masa y energía 67217.6.1. Transferencia de masa y difusión 67217.6.2. Balances de masa en la columna 67417.6.3. Transferencia de masa con parámetro agrupado 67517.6.4. Balances de energía y transferencia de calor 67617.6.5. Deducción de la teoría del movimiento del soluto 67717.6.6. Simuladores detallados 678

17-7. Soluciones de transferencia de masa para sistemas lineales 67817.7.1. Solución de Lapidus y Amundson para equilibrio local con dispersión 67917.7.2. Superposición en sistemas lineales 680

17.7.3. Cromatografía lineal 683

17.8. Método LUB para sistemas no lineales 687

17.9. Lista de control para diseño y operación en la práctica 69117.10. Resumen–Objetivos 693 Referencias 693 Tarea 696 Apéndice al capítulo 17 Introducción al simulador Aspen Chromatography 708

Guía de localización de problemas en Aspen Plus para separaciones 713

Respuestas a problemas seleccionados 717

′′

μ ρμ ρ

αβγδδ

νεηθλμμρρσφφψ ρ ρψψ

πθθ′ ′ ′μν μ ρρrλ

εεεr

rrrsssτζ

Productos.Materiasprimas

Subproductos

Separadores

Reactor

Recirculación

Separador

Separacióny

purificación

PLíquido, TLíquido

PVapor, TVapor

Paramatrices

Alimentación

Bomba Calentador Válvula

Separadorde niebla

F, zTl, p l

V, yHV

L, xhL

Azeótropo

p = l atm

Isoterma

Líquido

Azeótropo

p = l atm

xE o yE

Línea de rocío, 1 kg/cm2

de ví

Línea de ebullición, 1 Kg/cm2

Agua0 °C

Línea de congelación

Líquido

Concentración de alcohol, fracción en peso

SólidoHielo0 °C

Línea auxiliar para composiciones de equilibrio interpolar

Vaporsaturado

Líneaauxiliar

Isoterma

Líquidosaturado

Líneade unión

− −

línea de operaciónpendiente = L/V

Líneade unión

Alimentación

P = Ptamb

− −− −− −− −− −

− −− −

− −

Finalizar

Ingresar condicionesespecificadas

y datos de equilibrio

Estimar Ttamb

Calcular Ki (Ttamb, ptamb)

Estimar V/F

Resolver Ec. Rachford-Rice (2-42)

Calcular xi, yi, L, V, H y h

EstimarTtamb

¿Se satisfaceel balance

de energía?

f(V/F) = 0

° −

° < °

° =° =

− < °

desconocidas

Ttamb = ?

× − − × −

− × − × −

––

–– –

Líquido

Boquillade entrada

Nivelmáximo

F1v =WL v =

80034 3.14 × 10−3 = 0.0722

Wv L 74503 0.6960

= 0.4433 0.6960 – 0.00314 = 6.5849 pies/s

0.00314

uperm = KtambL – v

CalentadorBomba

°× − − × − × −

× − − × −

° ° °°

Acumulador

Agua de enfriamiento

Bajante

Etapa o plato

Alimentación

Región de asentamiento

Vista lateral

Bajante

Plato perforadoLíquido y vapor

Agujeros

Vertedor

Bajante Vertedor

z − xBD = (xD − xB

TReflujo

Presión

xD − zB = F − D = (

xD − xB

FhF + Qc + QR = DhD + BhB

V1 = (L0 )D + D = (1 +

L0 )DD D

V1H1 + Qc = DhD + L0h0

z − xBQc = (1 +L0 )D(hD − H1) = (1 +

L0 )(xD − xB

)F(hD − H1)D D

QR = DhD + BhB − FhF + (1 + L0 )D(H1 − hD)D

z xBQR = (xD xB

)FhD + (xD xB

)FhB FhF + (1 + L0 )(

)F(H1 hD)D

xD xz Bz

z − xB 0.3 − 0.05D = F (

xD − xB

) = 10,000 [0.8 − 0.05

] = 3333 kg/hr

− −

Qc = (1 +L0 )D(hD − H 1) = (1 + 3)(3333)(60 − 330) = −3,559,640 kcal/hrD

QR = (3333)(60) + (6667)(90) − (10,000)(30) − (−3,599,640) = 4,099,650 kcal/hr

Líquido saturado

Alimentación

Destilado

×× ×

− × − × −

cal Btugmol °C

o1bmol °F

× − − × −

− × − − × −

− −

− − −

− − − − − −

⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ −

⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅

⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

⎢ − ⎪ λ ⎢ − ⎪ λ

− − −−−

− − −

− −

− − −

− −−

− − −

− −−

−−

− −

80% en peso de etanol líquido saturado L0/D = 3

30% en peso de etanol, líquido saturado

5% en peso de etanol

F = 10,000 kg/hr

− −

Línea superior de operación Pendiente = L/V

− −

Línea inferior de operación Pendiente = L

–/V–

− −−

− −

− − − −

− − −

−−

− −

−−

− −

− − −

(etapa de alimentación)

−−

− − − −

−−

− − − −

− −−

−−

Líquido saturado (q = 1)

Línea y = x

Líquido subenfriado

(q > 1)Mezcla de dos fases

Vapor saturado

Vapor sobrecalentado

qL Labajo de la alimentación arriba de la a

52 llimentación

tasa de flujo de alimentación

fV Varriba de la alimentación abajo de la

52 aalimentación

tasa de flujo de alimentación

Equilibrio

Arriba

yabajo

Línea de alimentación

Línea y = x

− −

−−

− − −

−− −

− −

− − −

−−

− −

−−

− −− −

Líquido saturado

Etapa óptima de alimentación

Alimentación

Líneasuperior de operación

Línea inferior de operación

− −

Fracción mol que sale de la etapa

Temperatura de la etapa,

Flujos, kg mol/h, salen de la etapa

Ubicación de la etapa

(aislado)LO líquido saturado

Etapa óptima de alimentación

Vapor de agua saturado puro

Líquido saturado

− −

−−

− − −

Línea inferior de operación

Op. Sup.

− −− −

−− −

Corriente lateral

La alimentación condensa 1 mol de vapor/4 moles Alim.

Vapor saturado

Alimentaciones óptimas

Líquido saturado

−−

− −

′ ′

′ −′ ′

−′

−′ − ′

− −

−−

− −

−−

4.9.1 Condensadores parciales

4.9.2 Vaporizadores totales

4.9.3 Corrientes laterales o líneas de salida

Vapor destilado

Línea y = xLínea Sup. de Op.

Intermedia

Superior

Inferior51/3 contactos Equil.

4.9.4 Vaporizadores intermedios y condensadores intermedios

4.9.5 Columnas de agotamiento y enriquecimiento

− −

Inferior

− −

Línea y = x

Estricción

yCMV yCMV

xCMV xCMV

Estricción

Conc. en la etapa

Vaporizador Alimentación Condensador

Ubicación en la etapa

−−

− −

yj * en equilibrio

con xj

xj * en equilibrio

con yj

curva de pseudo-equilibrio

− −

Condensador total

Líquido o reflujo Sat.

Vaporizador parcial

(1er tanteo)

(2° tanteo)(3er tanteo)

TReflujo

− −

−−

Ingresar condiciones especificadas y datos de equilibrio

Ajustar el equilibrio a la forma x = f(y)

Hacer cálculos de balance externo (opcional)

Calcular L/V, L–/V–, ecuación (4-25) y xI ecuación (4-38). Hacer xO = xD, poner i = 1

Calcular yi de la ecuación de operación superior

Poner i = i + 1 Calcular xi del equilibrio

Poner i = i + 1Sí

Calcular yi con la ecuación de operación inferior

Calcular xi del equilibrio

Calcular cantidad fraccionaria de etapas

− −

−−

99.4% recuperado de C4L/D = 3.5, líquido saturado

p = 101.3Plato óptimo de alimentación

99.7% recuperado de C5

− − − −

× −

Líquido, Derr. molal Const.

Líquido

Flujo total

Vapor, Derr. molal Const.

No. de etapa

Tolueno (C. P.)

Benceno (C. L.)

Cumeno (no C.P.)

Número de etapa

Tolueno (CL)

Cumeno (CP)

Benceno (CNP)

Número de etapa

Xileno (CP)

Tolueno (CL)

Cumeno (CNP)

Benceno (CNL)

N° de etapa

Ingresar: Datos de equilibrio y entalpía

Ingresar: Condiciones especificadas

Seleccionar Lj, Vj y Tj iniciales en cada etapa

Calcular valores de K para todos los componentes en cada etapa

Resolver el balance de masa de componentes y las ecuaciones de equilibrio en forma matricial, Ecs. (6-1) a (6-13)

Calcular temperaturas en cada etapa usando convergencia u y cálculos de punto de burbuja. Ecs. (6-17) a (6-25)

Prueba de convergencia: ¿Es u = 1.00?

Guardar balance de energía en cada etapa. Calcular Lj y Vj. Ecs. (6-26) a (6-39)

Prueba de convergencia:

Ecs. (6-40)

Se satisface

Sustitución directa, nuevas Lj y vj

Sustitución directa nueva Tj

No se satisface

− − − −

, − ,− −

, , −

,− , −− ,

,− , ,

− −

− − −

, − ,

− − − −−

≤ ≤− −

− −

− − −

− −

−−

α −

Estimar T

Calcular Ki(T, p, xi)

FIN T = TPB

Estimar nueva T

, − − , − −

− −

′′

−−

− −

− − − − −

− −

, − , − −

θθ θ

′ θ ′ θ − ×

θθ θ

′ θ ′ θ −

θθ θ −

× −

→ θ

144° 123° 67°

− −

−−

− −

− − − − − −

− − − −

−− − −

− −− −−

− − − − − −

λ −

− −

− −ε ε

− −

xA,dest, xB,dest

, xC,dest, . . .

xA,vap, xB,vap

, xC,vap, . . .

α α−

−−

α α α−

α α α α α α−

α α α α ⋅ ⋅ ⋅ α − α α

− −

−−

− α

ααα

D, xi,dest

B,xi,cola

−α φα

−−α φ

−α φα

Vmín −Vmín −α φα

Δ −αα − φ

α φ α φ α φ α φ α

− −− −

−α φα

− − −

−−

α −

Curva ajustadaCorrelación original de Gilliland

−−

−− ≤ ≤

−−

α −

−−

− −

−−

− −

B o desechos Recirculación

Reflujo

RecirculaciónRecirculación

8.2.1 Azeótropos heterogéneos binarios

Separador

Col. 2Parte Sup.

Col. 2 colas

Col. 1.

−−

Alimentación

Líquido orgánico seco

Fase orgánica

Fase acuosa

α −

−−

α −−

− −− −

− −

Azeótropo

(L/V)REAL

Reflujo

Superior

L/VMÍN

L/VREAL

Línea Inf. Op.

(L/V) MÍN

− −

Agua, xW = 1.0Vapor de agua

TVaporizador

Decano, nC10

Agua, nW

Fase orgánica, xC10 = 0.15

−−

− −−

−−−

8.5.1 Curvas de destilación

aa a ×

Cloroformo

x Benc

Benceno

Acetona

cetona

xCloroformo

8.5.2 Curvas de residuo

Relleno de solvente

Alimentación

Producto

Recirculación de solvente

Enfriador

se lí

Etapas

Heptano

Tolueno

Alimentación de C4

Columna de destilación azeotrópica

AlternativaRecirculación de NH3

Separador

Recirculación de azeótropo

Vaporizador intermedio

Columna de agotamiento

Butileno

Butadieno

Alimentación Columna azeotrópica

Extracción con lavado de agua

Relleno de agua

Recirculación de agua

Relleno de solvente

Etanol, 70 a 90% en peso

Solvente de relleno

Separador

Reflujo de hidrocarburo

Capa de agua

Agotador

Etanol

Fracción mol en vapor

Etanol

Pentano

No volátiles

Producto volátil

Volátiles

Purga Producto

Alimentación

Ácido acéticoEtanolAguaAcetato de etilo

Composición del líquido (fracción mol) Temperatura [°C]

Columna de butanol

Columna de agua

0.02, fracción mol de aguaButanol producto

0.995, fracción mol de aguaAgua producto

Sal + agua

n-decanoagua

agua + sal

Recirculación

vapor de n-decano desecho

Recipiente

− −

− − −

− −

− −− −

−−

αα −

− −

−−−−

αα −

Agua de desecho

Sin agua

(Sustancias orgánicas)

−−

9.5.1 Relación de reflujo constante

Líquido saturado

Vaporizador

−−

−− − −

9.5.2 Relación de reflujo variable

− λ

− ∫

10.1.1 Platos, bajantes y vertederos

/min Doble paso

Flujo transversal

Flujo inverso

Diámetro de la torre, pies

Bajante

Vertedor

Vertedor opcional

Tubo redondo

Vertedor

10.1.2 Entradas y salidas

Bajante y vertedorRegistro de hombre

Viga principal

Viga principal, con conexiones soldadas a la pared de la torre

Viga secundaria con conexión de soporte

Viga principal

Viga secundaria con conexión de soporte

Anillo de soporte del plato, hecho de ángulo

Anillo de soporte de ángulo

Sujeciones periféricas al anillo.Observe el plato ranurado,

sujeto por fricción, para facilitar acomodos térmicos

Zona de calmado

Anillo de soporte de plato

Canal deflector

Entrada de vapor

Charola de sello

Retorno de vapor

Al vaporizador

Fondos producto

−−

Cárcamo Salida del bajante

Chimenea para vapor

Cárcamo

′ − ′′ − ′

Punto de diseño

Inundación

Demasiado arrastre

Velocidad del vapor, pies/s

− αμ αμ

VOLATILIDAD RELATIVA DEL COMPONENTE CLAVE × VISCOSIDAD DE LA ALIMENTACIÓN (A CONDICIONES PROMEDIO EN LA COLUMNA)

O - COLUMNA COMERCIAL DE FRACCIONAMIENTO DE HIDROCARBUROS

- COLUMNA COMERCIAL DE FRACCIONAMIENTO DE HIDROCARBUROS CLORADOS

+ - FRACCIONAMIENTO COMERCIAL DE ALCOHOL

× - FRACCIONAMIENTO DE ALCOHOL ETÍLICO EN LABORATORIO

u - DIVERSOS

− −

μ μ μ

μ −

abiertaabierta

Porcentaje de inundación

σ −

− − −

/sAltura entre platos

C sb,in

ψ − ψ

, Porcentaje de la inundación

− −

Entrada del bajante

Salida del bajante

Vertedor

− − h

θ − θ

− η

Δ − β

h p,seco

hcresta

Fvert, FACTOR DE CORRECCIÓN POR CONSTRICCIÓN DEL VERTEDOR

Q/(lw)0.5 = (CARGA LÍQUIDA, GPM)/(LONGITUD DE VERTEDOR, PIES)2.5

CIÓN D

E LONGITU

E DIÁ

E TORR

LÍMITE RECOMENDADO

ψ− ψ

Vo , pies/s

Datos experimentalesModelo

Todas las válvulas cerradas

Punto de equilibrio cerrado

Punto de equilibrio abierto

Válvulas parcialmente

abiertas

Todas las válvulas abiertas

Región de separación

Placa opresora

Placa de soporte

Distribuidor de líquido

Distribuidor de vapor

Placa opresora

Placa de soporte

Separación

E m p a q u e

Velocidad del gas, pies/s

DE ALTURA EMPACADA

EL PARÁMETRO DE LAS CURVAS ES CAÍDA DE PRESIÓN, PULGADAS DE AGUA/PIE

Línea de inundación

′ μ

Δ α β ′ ′

′ −′ −

′′

′ ϕμ

′ψμ

Δ α β ′ ′

′′

′ ′

′ψμ

r r r r − r r

Economía y conservación de energía en la destilación

− − 1) −

− 0.3473(

(1.63 + 1.66

− −

−−

⏐ ⏐ Δ

− − −

−− −

α− −

− −

−−

Costo, $/año Óptimo

Costos totales

Costos de capital

Costos de operación

(L/D)MÍN L/D

− −

−−

− −

Condensador de acabado

Calentador de acabado

Intercambiador de calor

Reflujo

Válvula de expansión

Condensador de acabado

Compresor

Destilacióninstantánea

− − − −

α α α α

Absorción y arrastre

(Gas que entra)

L, X0 (Solvente alimentado)(Gas tratado) G, Y1

Gas tratado

Recirculaciónde

solvente

Gas Conc.

Enfriador

Gas por tratarSolventeagotado Calentador

Gas dearrastre

− −

l l l l l l l

° ° ° ° ° ° °

− −

molesde B en la corriente de gasjmolessde portador

molesde gasportadorh

molesde B en la corriente de gasjh

molesde B en la corriente líquida jmoleesde solvente

molesde solventeh

molesde B en la corriente de solvente jjh

− −

−−

absorbido

−−

− −

−−

Alimentación

Gas de arrastreLíquido tratado

−−

Equilibrio

Línea de operaciónPendiente = L/G

X (Relaciones molares)

A-Absorbedores comerciales de hidrocarburosB-Absorción de dióxido de carbono en solución de agua y glicerina en laboratorioC-Absorción de hidrocarburos en laboratorioD-Absorción de amoniaco en laboratorio

− −

Tasasde flujototales,L y V

Ubicación de la etapa

Parte superior

Δ −

− − − −

Línea de operaciónPendiente = L / V

Línea de equilibrioPendiente = m

− −

− − −

Línea de operaciónPendiente = L / V

Línea de equilibrioPendiente = m

− −

−−

− −

−−

−− −

−−

− −

− −− −

−−−

− −

– –

−−

− −

real –– – –

(normales) aire/lb de agua

30 pcn de aire 1 lb mol de aire= ×359 pcn de aire

18 lb de agua1 lb de agua 1 lb mol de agua

−−− −

− −− − × −

− −

− − −

l − l

Ingresar datos de equilibrio y entalpía

Ingresar las condiciones especificadas

Escoger Lj, Vj y Tj iniciales en cada etapa

Calcular todos los valores de K

Calcular nuevos valores de Lj y Vj. Ecs. (12-49) y (12-50)

Resolver el balance de energía en cada etapa con convergencia newtoniana de varias variables,

Ecs. (12-52) a (12-58)

Comprobarconvergencia(Ecs. (12-50)

Prueba deconvergencia

Ec. (12-59)

Resolver las ecuaciones de balancede masa de componentes y de equilibrioen forma matricial. Ecs. (12-45) a (12-48)

y (6-1) a (6-6) dan la ecuación (6-13)

No sesatisface

Sí se satisface

No se satisfaceNuevos

Lj, Vj

Sí se satisface

Nueva TjEc. (12-54)

− −

−− − − − − −

−−

− − − − − −

−−– –

–– – –

− −

− − − − −

− −

−−

yentrada

ysalida

Etapa de equilibrio

Equilibrio

−−

Equilibrio

× −

Extracción inmiscible, lavado, lixiviación y extracción supercrítica

Líquido tratado

Solvente cargado

Unidad de extracción

Recuperación de solvente Soluto

producto

Alimentación

Solvente de reposición

Pérdidas de solvente

Fase ligera

Fase densa

Mezclador-asentador (1 etapa)

Platos o empaque

Cámara de pulsación

Columna pulsada

EmpaqueMezclador

York-Scheibel

Mezclador

MezcladorDesviador

Contactor de disco rotatorio

Fase ligera

Mampara vertical

Fase densa

Oldshue-Rushton

Extractor de membrana

Ligera

Platos

Columna de platos reciprocantes

Ligera

13.2.1 Método de McCabe-Thiele para sistemas diluidos

− −

13.2.2 Método de Kremser para sistemas diluidos

− −

Solvente 2 A + solvente 1

Alimentación (A + B + solvente 1 o 2)

B + solvente 2 Solvente 1

Solvente 2A + solvente 1

Solvente 3 o 1 + BSolvente 2

Solvente 3 o 1

Solvente 2 + C

B + C + Solvente 2

Solvente 1

− −

Equilibrio

− −

−−

kg solutokg solvente + soluto

kg solutokg diluyente + soluto

Equilibrio

− −

Alimentación

Derrame

Mezclador

Asentador

Etapa 1 Etapa 2

kg de sólidos os

mm de sóli

m de lodo

m de lodo totalh

kg de sólidos os

mm de sól

2iidos

m de lodo

m de líquido

m de lodo total3

ε− ε

Fracción de masa de soluto en el derrame

Equilibrio

Fracción de masa de soluto en el líquido de los lodos

− −− −

−−

kg de solutokg de solvente

kg de solutokg de sólido insoluble

F sólido, XNF sólido, XO

F sólido

Fsólido

Sólido

Líquido

Fracción molar de naftaleno

Presión (atm)

Fluido supercrítico

Lecho sólido

Turbo-expansor

Reposición de FSC

Compresor

Descarga intermitente de producto

Fracción en peso en el extracto (agua)Fracción en peso en el refinado (benceno)

Fase de benceno

−−

Arena + agua de mar intersticial

Agua pura

Acetona

Acetona, Frac. en peso

Extracto Punto de pliegueRefinado

Línea conjugada B

Línea conjugada A

CloroformoAgua, Frac. en peso

TOLUENO

METILCICLOHEXANO AMONIACO

Soluto A, Frac. en peso

Diluyente D, Frac. en peso

Soluto A, Frac. en peso

Diluyente D, Frac. en peso

−−

Acetona

Cloroformo

Agua, Frac. en peso

Acetona

Cloroformo

Agua, Frac. en peso

−−−

Soluto

Soluto, Frac. en peso

Solvente Diluyente

Diluyente, Frac. en peso

− −

Δ Δ − − −

Δ− −Δ Δ

Δ Δ Δ

− ΔΔ −

ΔΔ −

Soluto

Diluyente

Ácido acético, Frac. en peso

Agua, Frac. en peso

A, Frac. en peso

Línea de operación Extracto Ref.

D, Frac. en peso

Punto en la línea de operación

Agua, Frac. en pesoyD o xD

FM SM/

MÍNUSADA Línea de unión

Agua, Frac. en peso

EN,mín

Solvente entrante Extracto saliente

Lodos salientes (refinado)

Alimentación de sólidos

Línea conjugada

Extracto saturado

Refinado saturado

yD o xD

−−

Análisis de la transferencia de masa

′Δ′

− − − − −

yA, sal, E

yA, sal, S

yA, ent, E

xA, ent, ExA; dest

xA, ent, S

xA, sal, S

xA, cola

yA, ent, s

−−

− −

−−

ysal, E

= xent, s

xent, E

yent, syent

ysal, s

xsal, E

xsal, s

ysalÁrea

−−

− − −

ysal, E

ysal, s yent, E

yent, s yent =; 442

− − −

ysal ysal

xsal xsal

yentxent xent

− − −

− −

−−

− −

−−

15.4.1 Correlaciones detalladas para empaques aleatorios

− −

2.0 pulg

Anillos Raschig de cerámica

1.0 pulg

0.5 pulg

1.5 pulg

Anillos Raschig metálicos

Sillas Berl de cerámica

Anillos Pall metálicos

Porcentaje de inundación

2.0 pulg

1.5 pulg0.5 pulg

1.0 pulg

1.0 pulg 1.5 pulg

0.5 pulg

2.0 pulg

1.5 pulg

1.0 pulg

Anillos Raschig de cerámica

Flujo de masa, WL, lb/h-pie2

Anillos Raschig metálicos

Sillas Berl de cerámica

Anillos Pall metálicos

2.0 pulg

1.5 pulg0.5 pulg

1.0 pulg

0.5 pulg

1.5 pulg2.0 pulg

2.0 pulg

0.5 pulg

1.5 pulg1.0 pulg

1.5 pulg

1.0 pulg

0.5 pulg

× −

′′

× −

′ψμ

× −

−′

r, C FL

Relación de inundación, uOP/u

1 lb mol0.46 kg mol

40.4 lblb molreal

1 h3600 s

× − × −

× −

μ ΩΩ

(Lkg mol

1 lb mol0.46 kg mol

)(40.4 lblb mool

3600 s)

Área −

− −

× −

15.4.2 Correlaciones sencillas

′ −

−− − −

−−

′ −

− −

−−−′

−− −′

Vsal, yA,sal Lent, xAent

Vent, yAentLsal, xAsal

ysalxsal

− ′ − −

− −

− −−

−−−

− − −

−−

− −

Vent, yent

Vsal, ysal Lsal, xsal

Lent, xent

xent xsal

− Δ Δ,−

−,−

− −,−

− −

αα −

Introducción a los procesos de separación con membrana

1 La nomenclatura para este capítulo está en los preliminares de este libro.

O O O OCH

CH CH2

Capagruesapermselectiva,de porosidad constante

Capa permselectiva delgada

Soporte de membranaporosa,conporosidadcreciente

16.3.1 Permeación de mezclas binarias de gases

− − −

Diámetro de colisión Lennard-Jones (Å)

Hule de silicona

Hulenatural

Polies-tireno

Acetato de celulosa

α −

16.3.2 Permeación binaria en sistemas perfectamente mezclados

− − − −

−−

− − pp −

− −α

α − α −

−−

× −

× − × −

α − −α − α − y

−−

× −

−× −

× −

θ−−

− −

× − × −

α − × − × −

−θθ− θ−

a − u

− ± −

− − −

− −− −

− −

μ − μ−

× −

−× −

16.3.3 Permeación de varios componentes en sistemas perfectamente mezclados

−− u

× − × − × −

× −

− u − u

Fp/A −

− θ

16.4.1 Análisis de la ósmosis y la ósmosis inversa

Δ − Δ

′ Δ − Δ

′′Δ

π π ′

′−ρ − − −

′′

− −

′−

− − − ′ −

′ ′ ′ ′ ′ ′

−− u ′u ′ u ′

−− −

−−

16.4.2 Determinación experimental de las propiedades de las membranas

−− u′

−−

16.4.3 Determinación de la polarización de concentración

α ′ − α −α ′ −

−−

ω − −μ

× −

° × − × −

× −

× −×

α ′ − α −α ′ −

−− u′u′ u′

− −

− −−

− − −

− −

− − −

× −

− −

− − −

16.4.4 Ósmosis inversa con soluciones concentradas

Diámetro molecular aproximado

Peso molecular

Exclusión de peso molecularnominal de la membrana

′′ −

δ , ,

g soluto

L solvente

m s2 solv 2J

L soluto

g solutoLA 2 p de solución

g soluto

L solvente

m s2 solv ×2

ccg soluto en permeado

L de soluciónp

− ≈ −−° °

calentador

bombabomba de vacío condensador

gasesinertes

permeado líquido

retentadomembrana

F9ent, x9ent, Tent

DestilaciónDestilación

Producto 1(A puro)

Producto 2(B puro)

Permeado

Vacío

Retentado

Pervaporado

Destilación

Alimentaciónetanol-agua

Vacío

Etanol producto

Pervaporado

CondensadorCalentador

′′

− −

u ′ − −λ

′ u′ ′

− −−

× −

yp,sal

yr,sal

16.7.1 Permeación binaria con flujo cruzado

yent=yr,o

yent=yr,oFent=Fr,o

Fent=Fr,o

−−

16.7.2 Permeación binaria concurrente

16.7.3 Flujo binario a contracorriente

−− −

−−

Fsal,1 = Fent,2

Fent,1

× −

× − × −

× −

× − ×−

16.A.1 Flujo cruzado

16.A.2 Flujo concurrente

16.A.3 Flujo a contracorriente

Sub Main()Dim N, M, k, j, i As IntegerDim pr, pp, a, b, c, ConA, ConB, Cj, Cjant, df, Ft, Fp, Fpant, Fpsal, permA, permB, Fr, Frsal, Fent, Area, Areatot, yt, yent, yr, yrsal, yrsalant, yrant, yp, ypant, alfa, thetatot, thetaj As DoubleSheets(“Sheet1”).Select

Range(“B7”, “GS16”).Clear [Limpia hasta 200 celdas (N = 200)]Fin = Cells(2, 2).Value [Valores de datos en la hoja de cálculo]thetatot = Cells(2, 6).ValueFpsal = thetatot * FentFrsal = Fent - Fpsal

yent = Cells(2, 4).Valueyrsal = Cells(4, 6).Valuepr = Cells(3, 4).Valuepp = Cells(3, 6).ValuepermA = Cells(3, 2).Value [P

permB = Cells(2, 8).ValueFptotal = Ft * Nalfa = permA / permBM = Cells(4, 2).Value [contador del bucle para determinar y

r,N correcta]

df = Cells(5, 2).Value [factor de amortiguamiento para la Ec. (16-78)]N = Cells(4, 4).ValueFt = Fpsal / Nyentcalc = yent [Inicializar valores]yrsalant = yrsalFor k = 1 To M [buble para convergencia en y

yrsal = yrosalant + df * (yent - yentcalc) [Ec. (16-78), cuando k=1, ysal = y

r,N,propuesto]

yr = yrsal [Inicializar valores]Fr = FrsalFp = 0Fpant = 0yp = 0Areatot = 0For i = 1 To N [Inicio de bucle de cálculo para cada etapa]j = N - i + 1 [permite contar hacia atrás desde la etapa N]Cells(7, i + 1).Value = jypant = yp [Inicializar valores para esta etapa] Fpant = FpFp = Fpant + Fta = (1 - alfa) * Fp * pp / pr [Calcular términos de la ecuación cuadrática]

b = Fp * (1 - pp / pr) + (alfa - 1) * Fpant * ypold * pp / pr + alfa * Ft * pp / pr + Fp * (alfa - 1) * yrc = Fpant * ypant * (-1 - (alfa - 1) * yr + pp / pr) - alfa * Ft * yryp = (-b + (b * b - 4 * a * c) A 0.5) / (2 * a) [Ec. (16-75)]Area = Ft * yp / (permA * (pr * yr - pp * yp)) [Ec. (16-70A)]Areatot = Areatot + Area [Eq. (16-65)]Cells(8, i + 1).Value = Fr [Imprimir valores para la etapa j en la hoja de cálculo]Cells(9, i + 1).Value = ypCells(10, i + 1).Value = yrCells(11, i + 1).Value = AreaCells(12, i + 1).Value = FpFr = Fp + Frsalthetaj = Fp / FrCells(13, i + 1).Value = thetajyr = Fp * yp / Fr + yrsal * Frsal / FrNext i [Aumenta i en 1 y regresa al paso “For i = 1 To N”]yentcalc = yryrsalant = yrsalNext k [Aumenta k en 1 y regresa a la declaración “For k = 1 To M”]Balmasa = yr * Fr - Fp * yp - yrsal * FrsalCells(18, 2).Value = Balmasa [Imprimir valores fi-nales en la hoja de cálculo]Cells(14, 2).Value = ypCells(15, 2).Value = AreatotCells(16, 2).Value = yentcalcCells(17, 2).Value = FrCells(19, 2).Value = yrsalEnd Sub

Introducción a la adsorción, cromatografía e intercambio iónico

17.1.1 Definiciones

Película externa

17.1.2 Tipos de sorbente

17.1.3 Comportamiento de equilibrio en adsorción

° ° °

′−εε

× − − × − −

−−

× − −

17.2.1 Movimiento del soluto en una columna

− ε − ε

− ε − ε Δ Δ

ε Δ Δ Δ ε Δ − ε ε Δ − ε − ε ρ Δ

17.2.2 Teoría del movimiento del soluto para isotermas lineales

17.2.3 Aplicación de la teoría lineal del movimiento del soluto a ciclos de purga y a la cromatografía de elución

Alimentación Alimentación

Adsorbatos

Solvente o gasde arrastre

Volumen del efluente (mL)

0−3 )

2ª columna

modelo isocrático

pendiente = uN

pendiente = uA

tiempo, minutos

Conc.a la salida,gmol/L

17.3.1 Adsorción con oscilación de temperatura

Gaspuro

Gas regenerantecaliente

Gas caliente

Adsorbatoconcentrado

Gas purofrío

Regeneración Paso opcional deenfriamiento

Alimentación

Paso de alimentación

ε Δ ρ Δ

Δ ε Δ − ε ε Δ − ε − ε Δ Δ Δ

n-heptano puro Purga, 80°C

uxy (vpurga, 80º)

uth (vpurga)

Alimentación, 0°C

Condensador

Solventeorgánico

Vapor de agua

Regeneración con vapor de agua

Gas de alimentación

Aire limpio

Paso de alimentación

Solvente secoproducto gas caliente

gas caliente

gas frío gas

Alimentación desolvente húmedo

Solvente húmedo(a reprocesamiento)

gas húmedo Alimentaciónlíquida

Paso dealimentación

Drenado Regeneración Enfriamiento(opcional)

Rellenado

17.3.2 Adsorción con oscilación de presión

Gas producto puro

adsorbato

Alimentación Sopladaopcional

Vacío Subida de presión

× − −

× −

arriba, L = 0.5

arriba

z, metros

Alimentación yFSoplada

Purga tiempo, s

tiempo, s

ymetano, salida

ysalida,arriba = 0

Subidapresión

× −

−−

17.3.3 Lechos móviles simulados

Rafinado, A + D

Alimentación , A + D

Extracto, B + D

recirculación de desadsorbente

Recirculaciónde sólidos

1ª 2ª 3ª 4ª

A Producto

Alimentación

B Producto

Desadsorbente

A Producto

Alimentación

B Producto

A Producto

Alimentación

DesadsorbenteB Producto

Desadsorbente A Producto

17.4.1 Ondas difusas

Adsorción

Desadsorción

Tiempo, mín

− −

17.4.2 Ondas de choque

− εε

− ε − ε −−

− − −−

us (c = cbaja)us (c = calta)

cF = caltacF = cbaja

caltacsal

− −

17.5.1 Equilibrio en el intercambio iónico

− −

17.5.2 Movimiento de los iones

ε−−

17.6.1 Transferencia de masa y difusión

−− −

17.6.2 Balances de masa en la columna

17.6.3 Transferencia de masa con parámetro agrupado

−−

′ − ε

− ε′

− − − − −

17.6.4 Balances de energía y transferencia de calor

17.6.5 Deducción de la teoría del movimiento del soluto

17.6.6 Simuladores detallados

17.7.1 Solución de Lapidus y Amundson para equilibrio local con dispersión

17.7.2 Superposición en sistemas lineales

− −

− − −

17.7.3 Cromatografía lineal

Lecho usado

Área de lecho nousado en MTZ

Área de lechousado en MTZ

Área delecho usadoen MTZ

centrocsal

− −

−−

− −

− ×

× −

× − × −

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