Transferencia de masa

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Transferencia de masa
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• Un grupo de operaciones para la separación de
  componentes de mezclas está basado en la
  transferencia de materia desde una fase homogénea
  a otra. Contrariamente a las separaciones
  puramente mecánicas, estos métodos utilizan
  diferencias en la presión de vapor o la
  solubilidad, en vez del tamaño o la densidad de
  las partículas.
• La fuerza impulsora para la transferencia es una
  diferencia de concentración o un gradiente de
  concentración, de la misma forma que una
  diferencia de temperatura o un gradiente de
  temperatura constituye la fuerza impulsora para
  la transmisión de calor.
• Estos métodos, agrupados bajo la denominación de
  operaciones de transferencia de materia,
  incluyen técnicas tales como destilación,
  absorción de gases, deshumiditicación, extracción
  líquido-líquido, lixiviación, cristalización, etc.

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• Los problemas de transferencia de materia se
  pueden resolver por dos métodos esencialmente
  diferentes
• uno que utiliza el concepto de etapas de
  equilibrio, y
• otro basado en la velocidad de los procesos de
  difusión.
• La selección del método depende del tipo de
  equipo en el que se realiza la operación.

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• La destilación, la lixiviación y, a veces, la
  extracción líquido-líquido se realizan en equipos
  tales como baterías de mezcladores-sedimentadores
  , baterías de difusión o torres de platos, que
  contienen una serie de unidades de proceso
  discretas los problemas en estas situaciones se
  resuelven generalmente mediante el cálculo de
  etapas de equilibrio.
• La absorción de gases y otras operaciones que se
  llevan a cabo en torres de relleno o equipos
  similares, generalmente se tratan utilizando el
  concepto de un proceso difusional.
• Sin embargo, todos los cálculos de transferencia
  de materia requieren el conocimiento de las
  relaciones de equilibrio entre fases.

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Equilibrio entre fases

• Si dos fases llegan al equilibrio se alcanza un
  límite en la transferencia de materia, de forma
  que dicha transferencia se anula. Para que un
  proceso se realice con una velocidad de
  producción razonable, es necesario evitar la
  proximidad del equilibrio, ya que la velocidad de
  transferencia en cualquier punto es proporcional
  a la fuerza impulsora que viene dada por el
  alojamiento del equilibrio en dicho punto.
• Por tanto, para evaluar fuerzas impulsoras el
  conocimiento del equilibrio entre fases adquiere
  una importancia fundamental. En transferencia de
  materia son importantes diferentes tipos de
  equilibrio entre fases.

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Clasificación de los equilibrios
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OPERACIONES DE ETAPAS DE EQUILIBRIO
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• Uno de los tipos de dispositivos en transferencia
  de materia consiste en el acoplamiento de
  unidades o etapas, conectadas entre sí de forma
  que los materiales que se someten a procesamiento
  pasan sucesivamente a través de cada etapa. Las
  dos corrientes circulan en contracorriente a
  través del equipo en cada etapa, se ponen en
  contacto, se mezclan y se separan. Estos sistemas
  de múltiple etapa reciben el nombre de cascadas.
  

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Operaciones gas-liquido
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Destilación
La destilación es un proceso de separación que
consiste en eliminar uno o más de los componentes
de una mezcla. Para llevar a cabo la operación
se aprovecha la diferencia de volatilidad de los
constituyentes de la mezcla, separando o
fraccionando éstos en función de su temperatura
de ebullición. Se usa para concentrar mezclas
alcohólicas y separar aceites esenciales así como
componentes de mezclas líquidas que se deseen
purificar
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TIPOS DE DESTILACIÓN
http//www.youtube.com/watch?vW7Vlxn4e2v0feature
related
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Esquema general de una columna de destilación
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Destilación simple
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• Equipos exteriores de una columna de destilación
• 1. REHERVIDOR, EBULLIDOR O CALDERÍN
• Intercambiador de calor que proporciona la
  energía a la columna para mantener las corrientes
  de líquido y vapor en estado de saturación.
• Clases de rehervidores según el intercambiador
  usado y la localización en la columna
• Chaquetas de calentamiento en la parte inferior
  de la columna
• Intercambiador tubular interno en el fondo de la
  columna
• Intercambiador tubular externo
• (ver esquemas en la Fig. 9.29, pág. 434 de
  Treybal)
• Cuando se va a destilar una mezcla acuosa,
  donde el agua es el componente pesado, se usa
  vapor vivo para el calentamiento.

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Clases de rehervidores según el funcionamiento
a) Rehervidor parcial b) Rehervidor total
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2. CONDENSADOR Intercambiador tubular que
condensa el vapor que llega a la parte superior
de la columna. El vapor condensado retorna a la
columna como reflujo y lo demás se retira como
destilado. Clases de condensadores según el
funcionamiento
a) Condensador parcial
b) Condensador total
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3. ACUMULADOR DE REFLUJO Tanque que recibe la
corriente proveniente del condensador. El
acumulador permite una holgura operacional que
puede mantener en funcionamiento la columna
cuando se presentan problemas con el
condensador. Existen columnas complejas donde
se presenta alimentación múltiple, varias salidas
laterales de productos, y donde pueden haber
condensadores y rehervidores intermedios a lo
largo del equipo.
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• Accesorios internos de una columna de destilación
• 1. Columnas de platos
• Platos
• Distribuidor del alimento
• 2. Columnas empacadas
• Empaque
• Platos soporte para el empaque
• Distribuidor del alimento
• Colectores y redistribuidores de líquido

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Esquema de una columna de platos sencilla
http//www.youtube.com/watch?vRlS2mFehnFQ
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TIPOS DE PLATOS
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La destilación fraccionada vista como
destilaciones instantáneas en serie
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Etapa de equilibrio en una columna de destilación
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NOMENCLATURA
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Representación de las corrientes que entran y
abandonan el plato n en el diagrama de equilibrio
T-X-Y
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Esquema básico de una columna para realizar los
balances de materia
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Balance global
Total
Componente volátil
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Balance sector enriquecimiento
Total
Componente volátil
Línea operativa sector enriquecimiento L.O.S.E.
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Balance sector agotamiento
Total
Componente volátil
Línea operativa sector agotamiento L.O.S.A.
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Parámetros importantes que definen el grado de
separación de una mezcla en una columna de
destilación 1. Relación de reflujo externa, R
Lo / D 2. Relación de reflujo interna, L / V 3.
Número de etapas teóricas o unidades de
transferencia Métodos simples para calcular
parámetros de separación en sistemas binarios 1.
Método de McCabe - Thiele 2. Método de Ponchon y
Savarit
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• Para aplicar este método es necesario conocer
• la fase de la alimentación (el porcentaje de
  vaporización)
• la naturaleza del condensador, si es parcial o
  total
• relación del reflujo a reflujo mínimo
• la composición del destilado y del fondo
• se considera que la presión es constante a lo
  largo de la columna
• Gracias a este método se puede determinar
• Número de etapas de equilibrio N
• Número mínimo de etapas necesarias Nmin
• Reflujo mínimo Rmin
• Plato de alimentación óptimo

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Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc
Cabe
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Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc
Cabe
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Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc
Cabe
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Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc
Cabe
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Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc
Cabe
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Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc
Cabe
j)      Se calcula el número de platos reales,
conocida la eficacia de plato (que varía entre 0
y 1). El valor obtenido se redondea hacia arriba.
Así k) se calculan las necesidades
energéticas de la columna, conocidos los calores
latentes de cambio de estado, ?
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Condiciones límites de operación
Aumento de la razón de reflujo
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Condiciones límites de operación
Disminución de la razón de reflujo
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Condiciones límites de operación
Reflujo Total
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Condiciones límites de operación
Reflujo mínimo
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Condiciones límites de operación
RDopt 1,2-2 RD min
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PROBLEMA
Se desea diseñar una columna de rectificación
para separar 10.000kg/h de una mezcla que
contiene 40 de benceno y 60 de tolueno, con el
fin de obtener un producto de cabeza (destilado)
con 97 de benceno y un producto de cola
(residuo) con 98 de tolueno. Todos estos
porcentajes están en peso. Se utilizará una
relación de reflujo externa de 3,5. El calor
latente de vaporización, tanto del benceno como
del tolueno, puede tomarse igual a 7675 cal/mol.
El calor latente del vapor de agua saturado es de
533,6 cal/g. a) Calcular los caudales de
destilado y residuo producidos. b) Determinar el
número de platos ideales líquido.   Datos de
equilibrio del sistema Benceno-Tolueno a 760 mmHg
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PM (C7H8 ) 92 g/mol PM (C6H6) 78 g/mol
(alimentación benceno)
(destilado benceno)
(residuo benceno)
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Calculo de caudales de destilado y residuo
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Línea de alimentación (f0)
Línea alimentación (f0)
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Línea operativa del sector de enriquecimiento LOSE
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Línea alimentación (f0)
LOSE (y 0.7778x0.2165)
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Línea alimentación (f0)
LOSE (y 0.7778x0.2165)
LOSA
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Sector enriquecimiento
1
2
3
4
5
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Sector enriquecimiento
Sector Agotamiento
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
70
Lixiviación