Transferencia de masa

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.

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.

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.

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.

Clasificación de los equilibrios

OPERACIONES DE ETAPAS DE EQUILIBRIO

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.

Operaciones gas-liquido

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

TIPOS DE DESTILACIÓN http://www.youtube.com/watch?v=W7Vlxn4e2v0&feature=related

Esquema general de una columna de destilación

Destilación simple

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.

Clases de rehervidores según el funcionamiento a) Rehervidor parcial b) Rehervidor total

2. CONDENSADOR Clases de condensadores según el funcionamiento 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

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.

Accesorios internos de una columna de destilación 1. Columnas de platos Platos Distribuidor del alimento 2. Columnas empacadas Empaque Platos soporte para el empaque Colectores y redistribuidores de líquido

Esquema de una columna de platos sencilla http://www.youtube.com/watch?v=RlS2mFehnFQ

TIPOS DE PLATOS

La destilación fraccionada vista como destilaciones instantáneas en serie

Etapa de equilibrio en una columna de destilación

NOMENCLATURA

Representación de las corrientes que entran y abandonan el plato n en el diagrama de equilibrio T-X-Y

Esquema básico de una columna para realizar los balances de materia

Balance global Total Componente volátil

Línea operativa sector enriquecimiento Balance sector enriquecimiento Total Componente volátil Línea operativa sector enriquecimiento L.O.S.E.

Línea operativa sector agotamiento Balance sector agotamiento Total Componente volátil Línea operativa sector agotamiento L.O.S.A.

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

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

Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe

Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe

Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe

Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe

Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe

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, :

Aumento de la razón de reflujo Condiciones límites de operación Aumento de la razón de reflujo

Disminución de la razón de reflujo Condiciones límites de operación Disminución de la razón de reflujo

Condiciones límites de operación Reflujo Total

Condiciones límites de operación Reflujo mínimo

Condiciones límites de operación RDopt = 1,2-2 RD min

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 X 0,0169 0,1297 0,2579 0,4113 0,5810 0,7801 1 Y 0,0389 0,2613 0,4561 0,6320 0,7767 0,9002

PM (C7H8 ) = 92 g/mol PM (C6H6) = 78 g/mol (alimentación benceno) (destilado benceno) (residuo benceno)

Calculo de caudales de destilado y residuo

Línea alimentación (f=0) Línea de alimentación (f=0) Línea alimentación (f=0)

Línea operativa del sector de enriquecimiento LOSE

Línea alimentación (f=0) LOSE (y= 0.7778x+0.2165)

Línea alimentación (f=0) LOSE (y= 0.7778x+0.2165) LOSA

Sector enriquecimiento 1 2 3 4 5

Sector enriquecimiento Sector Agotamiento Sector enriquecimiento 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Lixiviación