Operaciones Unitarias IProf. Freitez T. Juan A.

Contenenido

Unidad Contenido Pond

.

IPrincipios de Transferencia de Masa: Difusión molecular: Ley de Fick, Estado Estacionario Flujo Laminar, Difusión en un solo sentido y Contradifusión para Gases y Líquidos. Coeficientes de transferencia de masa. Transferencia de masa interfacial: teoría de la doble resistencia, para gases y líquidos

20%

II

Absorción de gases: Solubilidad de gases en líquidos. Selección del solvente. Absorción en una sola etapa de equilibrio: Balance de Materia y Línea de Operación. Absorción en múltiples etapas en contracorriente: Estimación del Número de Etapas Absorción en equipos de contacto continúo. Determinación de la longitud del lecho.

30%

IIIDestilación: Fudamentos: Equilibrio líquido – vapor de mezclas binarias. Destilación de una sola etapa. Destilación diferencial: Balance de Materia, Línea de Operación Rectificación continúa: Método de Mc Cabe Thiele: Estimación del Numero de Etapas. Diámetro de las columnas de rectificación.

30%

IV

Extracción Líquido-Líquido: Fundamentos: Terminología, Equilibrio (coordenadas: triangulares y rectangulares). Criterios para la selección del solvente. Métodos de operación y equipo. Operación en contacto por etapas: Contacto Múltiple en Corriente Cruzada. Contacto Múltiple en Contracorriente: Balance de Materia, Línea de Operación, y Número de Etapas.

20%

BIBLIOGRAFÍA

TREYBAL, R.E. “Operaciones de Transferencia de Masa”. Segunda Edición. McGraw Hill Book Co. New York. 1996.

MC CABE W.L. AND SMITH J.C. “Operaciones Unitarias en Ingeniería Química”. TerceraEdición. McGraw Hill Book Co. New York. USA. 1976.

JAIME BENITEZ. Principles and modern applications of mass transfer operations. Second Edition. John Wiley & Sons. 2009.

MARTÍNEZ DE LA CUESTA P.J., RUS MARTÍNEZ E. “Operaciones de separación en ingeniería química. Métodos de cálculo”. Pearson Prentice Hall, Madrid.2004.

MARCILLA GOMIS A. “Introducción a las operaciones de separación. Calculo por etapas de equilibrio”. Publicaciones (Universidad de Alicante), Alicante.2003.

MARCILLA GOMIS A. “Introducción a las operaciones de separación. Contacto continuo”. Publicaciones (Universidad de Alicante), Alicante. 2002.

GEANKOPLIS C.J. “Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias ”. Prentice-Hall (4ª Ed.), Londres. 2003.

ESTRATEGIAS DE EVALUACIÓN RECOMENDADA

Unidad Parcial

I 20%(16/06/2015)

II 15%(06/07/2015)

15%(14/07/2015)

III 15%(29/09/2015)

15%(19/10/2015)

IV 20%(02/11/2015)

Total 100 %

Operaciones Unitarias IIntroducción

Operaciones Unitarias

La materia esta sometida a dos

procesos Industriales.

Separación

Transformación

TIPOS PROCESOS INDUSTRIALES

El proceso de separación

Tiene como objetivo separar y clasificar las diferentes sustancias que constituyen un flujo de alimentación o materia prima, utilizado en un proceso industrial o de laboratorio, para obtener productos distintivos

El proceso de transformación

Modifica la materia desde su sustancia, es decir, partiendo de una materia determinada, modificarla para obtener una nueva sustancia completamente diferente de la que lo origina

Transferencia de calor, masa y momentum en la naturaleza

Primer Fenómeno

• El flujo de fluido puede ocurrir si la presión interna del fluido es mayor con respecto a el mismo a una distancia determinada

Segundo Fenómeno• La trasferencia

de calor ocurre cuando una región se encuentra a mayor temperatura que otra a una distancia determinada y se transfiere energía, para así equilibrar ese espacio.

Tercer Fenómeno

• La transferencia de masa ocurre cuando la masa de una región se encuentra a mayor concentración que otra situada a una distancia determinada

Clasificación de la opresiones unitarias

Las diversas operaciones unitarias pueden clasificarse en tres procesos fundamentales de transferencia: Transferencia de momentum:

Sedimentadores, Mezcladores. Etc. Transferencia de masas: Secadores ,

Separador de menbranana, Absorvedores, Destiladores, etc.

Transferencia de calor: Sacadores, Destiladores Evaporadores, etc.

Clasificar según de transferencia

Columnas de separación

Los equipos de transferencia de masa y calor más empleados.

Unidad I: Transferencia de Masa

Clase práctica Difusión Molecular

Transferencia de Masa

En una disolución, las moléculas se mueven al azar debido a su energía cinética. El resultado de este movimiento es la distribución equitativa de las moléculas por toda la solución. La tendencia de las moléculas a propagarse se denomina difusión.

Proceso natural o asistido en el cual se transfiere materia de una región de alta concentración a otra de baja concentración, esta diferencia o gradiente de concentración se conoce como fuerza impulsora

Transferencia de Masa

Los fenómenos de transferencia de masa se refieren al movimiento de las moléculas o de corrientes de fluido causadas por una fuerza impulsora.

Incluye no sólo la difusión molecular sino el transporte por convección.

La transferencia de masa ocurre en toda reacción química, ya sea dentro de un reactor industrial, un fermentador o un reactor de laboratorio.

Los principales campos de interés de la transferencia de masa son la difusión molecular, el transporte de masa por convección y el transporte de masa entre fases.

UNA FASE

• Se efectúa por un gradiente de potencial químico, equilibrando el gradiente solamente por un movimiento.

SISTEMA MULTICOMPONENTE

S

• Está influido por gradientes de concentración; de temperatura y de presión.

Transferencia de Masa

Difusión Molecular

Ley Fick, establece que la razón de difusión de masa, de una especie B en un medio en reposo, en la dirección z, es proporcional al gradiente de la concentración en esa dirección.

Difusión Molecular

Ley de Fick:

Unidades

Flujos másico

dx

dCDJ AABA

longitudvolumen

masa

tiempoárea

tiempoárea

masa

dx

dCADm A

ABA

Coeficiente de DifusividadCOEFICIENTES DE DIFUSIÓN BINARIO DE GASES

COEFICIENTES DE DIFUSIÓN BINARIO DE LÍQUIDOS

Coeficiente de DifusividadCORRELACIÓN DE WILKE-LEE (HIRSCHFELDER-BIRD-SPOTZ)

CONSTANTES DE LENNARD-JONES

Función de choque

Coeficiente de DifusividadCORRELACIÓN HIRSCHFELDER

CONSTANTES DE LENNARD-JONES

Función de choque

CORRELACIÓN DE WILKE-LEE

Ejercicio Nº 1

Calcule la rapidez de difusión de NaCl a 18 ºC, a través de una película de agua estancada de 1 mm de espesor, cuando las concentraciones son 20 y 10 % (m/m), respectivamente, en cada lado de la película. Respuesta: 3.059(10-6) kmol/m2.s. (4 pts)20%

NaCl

10%NaCl

dx

dCDN AABA

Datos para el ejercicio

Ecuaciones de Transferencia de Masa

Ejercicio Nº 2

Una tubería contiene una mezcla de He y N2 gaseosa a 298°K y 1 atm de presión constante en toda la extensión del tubo. En uno de los extremos de este punto 1, la presión parcial PA1 del helio es 0.60 atm y en el otro extremo a 20 cm (0.2 m), PA2=0.20 atm. Calcule en unidades SI el flujo específico de helio en estado estacionario cuando el valor de DAB de la mezcla He-N2 es 0.687 cm2/s. Use unidades SI.

Se usa una membrana de plástico delgada de para separar helio de un chorro de gas. Bajo condiciones de estado estable se sabe que la concentración del helio en la membrana es de es 0.02 y 0.005 Kmol/m3 en las superficies interna y externa respectivamente. Si la membrana tiene un espesor de 1mm y el coeficiente de difusión binaria del helio con respecto al plástico es de 10-9 m2/s, ¿Cuál es el flujo difusivo?

Un tapón de caucho de 20 Mm. de espesor y un área superficial de 300 mm2 se usa para contener CO2 a 25°C y 5 bar en una vasija de 10l.¿Cuál es el flujo de pérdida de masa de CO2 en la vasija?

Ejercicio Nº 3

Una placa plana de carbono sólido se quema en presencia de oxígeno puro según la reacción:

Difusión molecular de reactivo gaseoso y productos tiene lugar a través de una película de gas adyacente a la superficie del carbón; el espesor de esta película es de 1,0 mm. En el exterior de la película, la concentración de gas es de 40% de CO, 20% de O2, y 40% CO2. La reacción en la superficie se puede suponer que ser instantánea, por lo tanto, junto a la superficie del carbón, prácticamente no hay oxígeno. La temperatura de la película de gas es de 600 K, y la presión es de 1 bar. Cálculo de la tasa de combustión del carbón, en kg/m2-min, y la concentración de interfaz. Respuesta: 0.241 kg/m2-min. (8 puntos)

gggs COCOOC 22 2234

Ejercicio Nº 4

Usted dispuso de un tanque abierto de 1 m2 para llenarlo con Benceno liquido, hasta 0.5 cm. del borde superior. La temperatura del aire que circula perpendicular al fluido es de 25 ºC, a su vez el aire arrastra por convección al Benceno un vez difundido en una capa de 0.5 cm. La presión total es de 1 atm, y la presión del vapor del Benceno es 95.1 mm de Hg. Se conoce el producto de la difusividad del Benceno en Aire por concentración total de gas es de 3.5E-7 mol⁄(cm∙s). El departamento de Seguridad, Higiene y Ambiente (SHA), ha recibido un reporte de concentraciones provenientes de sus proceso, el valor de la medición fue de 5 Kg/día de Benceno. SHA exige una reunión con el departamento de proceso en dos horas para revisar sus cálculos, y si Ud. supera este límite de recomendar un diagrama práctico para minimizar este impacto. (6 pts)

Datos para el ejercicio

Compuestos PM ε/K, K r, A yO2 32,00 106,7 3,4670 0,5CO 28,01 91,7 3,6900 0,5CO2 44,01 195,2 3,9410

Unidad I: Transferencia de Masa

Conducción

Transferencia de Masa

Difusión molecular

Convección

Transferencia de Masa (Convección)

GRUPOS ADIMENSIONALES

SITUACIONES SIMPLES

1er ejercicio.

Una placa delgada de sal sólida, NaCl, de 15 x 15 cm, es para ser arrastrado por el agua de mar a una velocidad de 0.6 m/s. El agua de mar a 291K tiene una concentración de sal de 0.0309 g/cm3 y una densidad de 1.022 g/cm3. Estimar a la velocidad a la que la sal entra en solución si los efectos de borde pueden ser ignorados. Supóngase que la viscosidad cinemática a las condiciones de la película de líquido promedio es de 1.02x10-6 m2/s, y la difusividad es de 1.25 x10-9 m2/s. La solubilidad de NaCl en agua a 291 K es de 0.35 g/cm3, y la densidad de la solución saturada es 1.22 g/cm3 (Perry y Chilton 1973). Respuesta: 0.86 kg/h. (6 puntos) (JD = 0.664 Re1/2Sc1/3)

2do ejercicio

Calcule la rapidez de sublimación de un cilindro de naftaleno de 0.075 m de diám. por 0.60 m de largo (o 3 pulgadas de diam. por 24 pulgadas de largo) en una corriente de dióxido de carbono puro a una velocidad de 6 m/s (20 pie/s) a 1 atm, 100 ºC. La presión de vapor del naftaleno en la temperatura superficial puede tomarse como 1330 Nw/m2 (10 mm Hg); la difusividad en el dióxido de carbono puede considerarse como 5.15x10-6 m2/s (0.0515 cm2/s) a 0 ºC, 1 atm. Expresar los resultados en kg de naftaleno evaporados/h. Respuesta: 0.386 kg/h. (JD = 0.325 Re1/2)

Datos

Masa molecular del Aire es 29.0 g⁄mol.

Viscosidad del aire, es 0.018cP.

3er Ejercicio

Sí se hace pasar aire con una velocidad de 12.2 m⁄s, a través de un tubo de naftalina que tiene un diámetro interno de 1” (pulgada), y una longitud de 3.0 m. El aire se encuentra a una temperatura de 30 ºC y a la presión de 1 atm. Si se supone que el cambio de la presión a lo largo de ducto es despreciable y que la superficie de la naftalina se encuentra a 30 ºC, ¿Cuál será la rapidez de sublimación del tubo en Kg/hr? (10 ptos)

4to Ejercicio

Benceno líquido, C6H6, fluye en una película delgada hacia abajo a través de la superficie exterior de una placa vertical de 1,5 m de ancho y 3 m de largo. El benceno libre de nitrógeno está a 300 K y 1 bar de presión (Pvap,C6H6 = 104 mmHg), fluye a través del ancho de la placa paralelamente a la superficie de la placa a una velocidad de 5 m/s. Calcular el flujo másico al cual debe ser suministrado el liquido en la parte superior de la placa para que la evaporación evite que llegue liquido a la parte inferior de la placa (Himmelblau, 1989). (6 puntos)

Datos

Las propiedades promedio estimadas de la película a 300 K y 1 bar son: Mav = 3 1.4 kg/kmol ρ= 1.26 kg/m3 µ = 161 µP DAB = 0.0986 cm2/s SC = 1.3

UNIDAD I: Transferencia de masa

Transferencia de masa entre fase

1er Ejercicio

En la absorción de amoniaco en el agua de una mezcla de aire-amoníaco a 300 K y 1 atm, los coeficientes de película individuales se estima que kL = 6.3 cm/h, y kG = 1.17 kmol/m2.h.atm. La relación de equilibrio para soluciones muy diluidas de amoníaco en agua a 300 K y 1 atm es:

Determinar el coeficiente global de transferencia de masa de gas. (R: 0.21 mol/m2-s)

Fracción de la resistencia total a la transferencia de masa que reside en la fase gaseosa. (R: 64.6%)

iA,iA, 64.1 xy

2do Ejercicio

Una columna de absorción de gases opera a una temperatura de 20°C y una presión media de 1 atm. El agua desciende en contracorriente con la fase gaseosa ascendente y absorbe anhídrido carbónico. En la parte superior de la columna el agua entra libre de CO2 y el contenido de este en el gas saliente es del 10% molar. En la base el agua que sale contiene 0,5 kg CO2/m3 H,O y el gas que entra tiene una concentración de 30% molar de CO2. Los coeficientes individuales de transferencia de materia son:

La constante de Henry para las condiciones de operación vale:

Calcular los coeficientes globales de transferencia de materia KG y KL, y las concentraciones de ambas fases en la superficie interfacial, en la parte superior de la columna y en la base de la misma.