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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA
CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA
CUADERNO DE APUNTES
DE LAS MATERIAS DE
OPERACIONES UNITARIAS II Y III
Postulante: Calustro Torrico Lennart
Tutor: Lic. Juan Alfonso Rios del Prado
COCHABAMBA – BOLIVIAOctubre de 2011
INDICE
CAPITULO I
INTRODUCCION
Página
1. Introducción
2. Antecedentes
3. Justificación
4. Objetivos
4.1. Objetivo General
4.2. Objetivos Específicos
5. Metodología
CAPITULO II
PLAN DE LA ASIGNATURA
1. Operaciones Unitarias II
1.1. Pre-Requisitos Principales
1.2. Objetivo General
1.3. Objetivos Específicos
1.4. Justificación
1.5. Contenido de la Materia
2. Operaciones Unitarias III
2.1. Pre-Requisitos Principales
2.2. Objetivo General
2.3. Objetivos Específicos
2.4. Justificación
2.5. Contenido de la Materia
CAPITULO III
FUNDAMENTOS TEORICOS
Teoría de la materia de Operaciones Unitarias II
Tema 1 Procesos de Transferencia de Calor
1.1. Generalidades
1.1.1. Transferencia de Calor
1.1.2. Temperatura
1.1.3. Calor
1.1.4. Energía
Tema 2 Transferencia de Calor por Conducción
2.1. Conceptos
2.2. Ley de Fourier de la Conducción
2.3. Conductividad Térmica
Tema 3 Transferencia de Calor por Convección
3.1. Conceptos
3.2. Convección Natural
3.3. Convección Forzada
3.4. Ley de Fourier de la Convección
3.5. Coeficiente Convectivo
Tema 4 Intercambiadores de Calor
4.1. Conceptos
4.2. Tipos de Intercambiadores
4.2.1. Intercambiadores de Doble Tubo
4.2.2. Intercambiadores enfriados por Aire
4.2.3. Intercambiadores de Placa
4.2.4. Intercambiadores de Casco y Tubos
4.3. Diseño de Intercambiadores
Teoría de la materia de Operaciones Unitarias III
Tema 1 Secado
1.1. Conceptos
1.2. Métodos de Secado
1.3. Clasificación de los Secadores
1.3.1. Secadores Directos
1.3.2. Secadores Indirectos
1.4. Equipos para Secado
1.5. Factores que intervienen en el Proceso de Secado
1.5.1. Temperatura del Aire
1.5.2. Temperatura de Bulbo Seco
1.5.3. Temperatura Superficial
1.5.4. Temperatura de Bulbo Húmedo
1.5.5. Humedad Relativa del Aire
1.5.6. Velocidad del Aire
Tema 2 Absorción
2.1. Conceptos
2.2. Solubilidad de Gases en Líquidos en Equilibrio
2.2.1. Sistemas de Dos Componentes
2.2.2. Sistemas de Multicomponentes
2.3. Elección del Disolvente para la Absorción
2.4. Torres Empacadas o de Relleno
2.4.1. Empaque
2.4.2. Cuerpo de la Torre
2.5. Absorción con reacción química
Tema 3 Humidificación
3.1. Concepto
3.2. Humidificación
3.3. Deshumidificación
3.4. Diagrama Psicométrico o diagrama de humedad
3.5. Humedad Molar o de Saturación
3.6. Humedad Absoluta o Saturación Absoluta
3.7. Humedad Relativa o Saturación Relativa
3.8. Humedad porcentual o saturación porcentual
3.9. Punto de Rocío
3.10. Calor especifico del gas húmedo
3.11. Entalpía Específica
3.12. Temperatura Húmeda o Temperatura del Termómetro Húmedo
Tema 4 Destilación
4.1. Concepto
4.2. Tipos de Destilación
4.2.1. Destilación Simple
4.3. Rectificación
4.4. Método de McCabe-Thiele
4.4.1. Construcción y uso del diagrama de McCabe-Thiele
4.5. Relaciones de Equilibrio
4.6. Ley de Raoult
4.7. Volatilidad Relativa
4.8. Reflujo Mínimo
CAPITULO IV
CUADERNO DE APUNTES DE OPERACIONES UNITARIAS II
Tema 1 Transferencia de Calor por Conducción
Tema 2 Transferencia de Calor por Convección
Tema 3 Relaciones Empíricas y Prácticas en Transferencia de Calor por Convección
Forzada
Tema 4 Intercambiadores de Calor
CAPITULO V
CUADERNO DE APUNTES DE OPERACIONES UNITARIAS III
Tema 1 Secado
Tema 2 Procesos de Separación Gas - Liquido por Etapas y Continuos
Tema 3 Operaciones de Separación Gas - Liquido o Liquido - Vapor
CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFIA
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA
CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA
CUADERNO DE APUNTES
DE LAS MATERIAS DE
OPERACIONES UNITARIAS II Y III
CAPITULO I
INTRODUCCION
CAPITULO I
INTRODUCCION
1. Introducción
La Facultad de Ciencias y Tecnología con sus primeras carreras de Ingeniería, se creó el 21
de septiembre de 1979, pero la Carrera de Ingeniería Química es creada el 02 de Agosto de
1984, luego que el Consejo de Carreras de Química dispone la aplicación gradual del
Nuevo Plan de estudios de las Carreras de Química.
La Carrera de Ingeniería Química cuenta con cuatro niveles de estudio para la formación
de ingenieros químicos, las cuales son:
Ciencias Básicas y Matemáticas
Ciencias de la Ingeniería
Ingeniería Aplicada
Complementarias
Las materias de Operaciones Unitarias se ubican dentro el nivel de Ingeniería Aplicada,
siendo un pilar fundamental en la formación de ingenieros químicos. Estas materias se
dividen en 3 niveles:
Operaciones Unitarias I
Operaciones Unitarias II
Operaciones Unitarias III
El Lic. Juan Alfonso Ríos del Prado, es actualmente el docente titular de las materias de
Operaciones Unitarias en sus 3 niveles, desarrolladas a lo largo del sexto, sétimo y octavo
semestre del plan de estudios de la carrera de Ingeniería Química.
2. Antecedentes
Las materias de Operaciones Unitarias son pilares fundamentales en la formación de
profesionales de la Carrera de Ingeniería Química, es por esto que hablando con el titular de
estas materias, el Lic. Juan Alfonso Ríos del Prado, llegamos a la conclusión que las
mismas deben tener un texto que sirva de apoyo para los futuros estudiante que cursen estas
materias, durante su etapa de formación en la Universidad Mayor de San Simón.
Haciendo un previo estudio, se llego a la conclusión que estas materias no cuentan con un
texto o cuaderno base que ayude a una mejor comprensión de todas las Operaciones
Unitarias en sí, es decir hablando de las distintas operaciones que se llevan a cabo dentro
del extraordinario mundo de la Química.
Asimismo intercambiando ideas con distintos estudiantes de la Carrera de Ingeniería
Química, se pudo apreciar la necesidad de elaborar un texto, pues muchos de ellos
experimentaron alguna dificultad en el aprendizaje de estas materias, esto debido a la
infinidad de libros que existen acerca de estos temas tan extensos y amplios como son las
Operaciones Unitarias.
Al ver esta necesidad, lo más lógico sería elaborar un texto en el cual estén incluidos los
conocimientos del tutor de estas materias, además de la ayuda de diferentes libros, los
cuales citaré en la Bibliografía como fuente de datos y teoría para la correcta solución de
problemas y aplicación de los mismos en la vida real.
Conjuntamente la teoría de estas materias, incluir ejercicios resueltos de estos temas, que
reduzcan la dificultad de aprendizaje de las Operaciones Unitarias.
Existen muchas materias que con el tiempo se estudian más a fondo y asimismo son
complementadas con textos que ayudan a la comprensión de las mismas, además de brindar
un apoyo invaluable en el proceso de aprendizaje a lo largo de las distintas materias que
comprende la Carrera de Ingeniería Química y muchas otras más, ya sea en la Facultad de
Ciencias y Tecnología, como en las demás facultades que juntas dan vida a la Universidad
Mayor de San Simón.
Viendo estos datos relevantes en la Carrera de Ingeniería Química se tomó la decisión de
elaborar el texto de apuntes de las materias de Operaciones Unitarias.
3. Justificación
Un texto base, es una guía que facilita el aprendizaje de cualquier materia, es por eso que
muchos docentes de las distintas carreras dentro de la Universidad, ven por conveniente la
elaboración de los mismos, lo cual es una tarea complicada, ya que cada texto debe ser
elaborado de manera cuidadosa, exponiendo en ellos la teoría y práctica de cada materia, de
manera que se entienda en pocos pasos y de la manera más sencilla pero eficaz cualquier
materia o tema en concreto.
La importancia de mejorar la calidad educativa de la Universidad se acentúa, por que el
país está inmerso en un creciente proceso de globalización, con una internacionalización de
sus relaciones con otras naciones, incluidas sus relaciones de intercambio estudiantil y
laboral. La transversalidad de la educación genera la necesidad de convalidación de los
estudios y la equivalencia de títulos, exige que haya pautas o estándares mínimos de
calidad internacional, que tendrían que garantizar las instituciones educativas y los
programas de formación profesional. Estos textos guía ayudan de gran manera al
mejoramiento de esta calidad exigida por el país y por el mundo, para de esta manera tener
profesionales que ayuden a su país a crecer, porque cuando un país crece lo hace conjunto
el mundo.
Dada la necesidad existente, la Facultad de Ciencias y Tecnología ha iniciado el proceso de
mejorar la calidad educativa en la Universidad Mayor de San Simón, iniciando un proceso
de Auto evaluación de los diferentes programas de formación, para el cumplimiento de este
emprendimiento existen muchas herramientas que construirán este proceso, una de ellas es
la elaboración de estos textos que además de complementar las distintas materias, ayudarán
a mejorar la calidad de enseñanza y aprendizaje de los docentes y alumnos respectivamente.
Con este propósito vemos por conveniente realizar un Texto o mejor dicho un Cuaderno de
Apuntes de las Materias de Operaciones Unitarias, que permita mejorar el aprendizaje de
estas materias y conlleven a un fácil desarrollo de las mismas en clase.
Por las razones antes mencionadas se justifica plenamente la presentación de este proyecto.
4. Objetivos
4.1. Objetivo General
El objetivo del presente proyecto es realizar un cuaderno de apuntes de las materias
de Operaciones Unitarias II y III, para mejorar los sistemas de enseñanza-
aprendizaje de la carrera de Ingeniería Química.
4.2. Objetivos Específicos
Realizar un diagnóstico de las materias de Operaciones Unitarias.
Desarrollar una búsqueda de material y herramientas, para la elaboración de los
cuadernos de apuntes.
Recopilar información y apuntes de las materias de Operaciones Unitarias dictadas
dentro de la Facultad de Ciencias y Tecnología de la Universidad Mayor de San
Simón.
Actualizar los contenidos en función al avance internacional en la enseñanza de las
Operaciones Unitarias.
Elaborar esquemas que ayuden a la resolución de problemas en las Operaciones
Unitarias.
5. Metodología
Para la elaboración de este trabajo, procederemos de la manera más sencilla y eficaz
posible, siguiendo una serie de pasos que nos guiarán a la finalización del Cuaderno de
apuntes de manera exitosa, estos pasos se describen a continuación:
Primero tenemos la etapa de lectura, donde realizaremos una revisión cuidadosa de todas
las fuentes posibles de información, ya que esta fuente será el pilar del Cuaderno de
Apuntes a elaborar.
Seguidamente tenemos la recopilación de toda la información seleccionada durante el
proceso de lectura, esto para tener toda la fuente de información lista para ser usada en el
orden que escojamos.
A continuación establecemos un orden de información, es decir seleccionamos cuales son
las Operaciones Unitarias que serán descritas primero y así sucesivamente, esto para armar
el Cuaderno de a poco y darle forma.
Luego tenemos la etapa de transcripción, es la etapa más larga puesto que tenemos que
pasar toda la información a formato digital, usando programas de diferente índole, como
editores de ecuaciones, editores de gráficas entre otros.
Al finalizar la transcripción tenemos el proceso de corrección, en esta etapa corregiremos
todos los posibles errores y daremos la forma final al trabajo.
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA
CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA
CUADERNO DE APUNTES
DE LAS MATERIAS DE
OPERACIONES UNITARIAS II Y III
CAPITULO II
PLAN DE LA ASIGNATURA
CAPITULO II
PLAN DE LA ASIGNATURA
1. Operaciones Unitarias II
1.1. Pre-Requisitos Principales
La materia de Operaciones Unitarias II, que pertenece al octavo semestre de la Carrera
Ingeniería Química, integra en su asignatura todos los conceptos de Transferencia de
Calor en sus diferentes facetas, estos conceptos son fundamentales en la formación de
todos los estudiantes que aspiren a ser Ingenieros Químicos.
Para la asignatura de Operaciones Unitarias II, los estudiantes de la Carrera de
Ingeniería Química deberán no solo haber aprobado, sino tener conocimientos sólidos
las siguientes asignaturas:
Fenómenos de Transporte A
Fenómenos de Transporte B
Operaciones Unitarias I
Laboratorio de Investigación
Análisis Numérico
Ecuaciones Diferenciales
Introducción a los Proceso Químicos
Termodinámica I
Termodinámica II
1.2. Objetivo General de la Materia
El objetivo general que persigue la enseñanza de Operaciones Unitarias II, es la de que
el estudiante pueda adquirir la capacidad de diseñar equipos de procesos químicos
mediante la aplicación de balances de masa, cantidad de movimiento y energía,
haciendo uso de los conocimientos de Transferencia de Calor.
1.3. Objetivos Específicos de la Materia
Los objetivos específicos más importantes son:
Mediante el estudio de intercambio de calor se persigue que el estudiante pueda
definir las principales resistencias a la transferencia de calor, calculando los
coeficientes de transferencia de calor, los gradientes de temperatura y las
estructuras geométricas de los principales equipos de transferencia de calor.
Por medio del estudio de los principios de transferencia de masa, el estudiante
aprenderá a calcular los correspondientes coeficientes de transferencia de masa,
tanto de película como globales, que les serán útiles en el posterior estudio de
las Operaciones Unitarias propiamente, como Secado, Absorción,
Humidificación, Destilación y otras.
1.4. Justificación
El estudio de las Operaciones Unitarias se constituye en la base de la comprensión de
los procesos de transporte de fluidos, transferencia de calor y transferencia de masa, los
mismos que son fundamentales en toda industria química. A través de un repaso de
estos procesos de transporte, ineludiblemente se ingresa en el diseño de equipos a través
de los cuales se llevan a cabo estos fenómenos. Al ser la Ingeniería Química el soporte
de los procesos de transformación fisicoquímica de los materiales, el estudio de las
Operaciones Unitarias, juntamente con el de los Reactores Químicos, se constituye en el
principal pilar de esta Ingeniería.
1.5. Contenido de la Materia
Principios de Transferencia de Calor en Estado Estacionario.
Introducción y Mecanismos de Transferencia de Calor. Transferencia de Calor por
Conducción. Conducción a Través de Sólidos en Serie. Conducción en Estado
Estacionario y Factores de Forma. Transferencia de Calor por Convección Forzada en
el Interior de Tuberías. Transferencia de Calor Fuera de Varias Geometrías por
Convección Forzada. Transferencia de Calor por Convección Natural. Ebullición y
Condensación. Intercambiadores de Calor. Introducción a la Transferencia de Calor por
Radiación. Principios de Transferencia de Calor Avanzada por Radiación.
Transferencia de Calor de Fluidos No Newtonianos. Coeficientes Especiales de
Transferencia de Calor. Análisis Dimensional en Transferencia de Calor. Métodos
Numéricos Para Conducción en Estado Estacionario en Dos Dimensiones.
Principios de Transferencia de Calor en Estado No Estacionario.
Derivación de Ecuaciones Básicas. Un Caso Simplificado Para Sistemas con
Resistencias Internas Despreciables. Conducción de Calor en Estado No Estacionario
en Varias Geometrías. Métodos Numéricos de Diferencias Finitas Para Conducción en
Estado No Estacionario. Aplicaciones de Transferencia de Calor en Estado No
Estacionario Para el Caso de Enfriamiento y Congelamiento de Alimentos y Materiales
Biológicos. Ecuaciones Diferenciales del Cambio de Energía. Flujo de Capa Límite y
Turbulencia en la Transferencia de Calor.
Intercambiadores de Calor
Introducción y Mecanismos de funcionamiento de los Intercambiadores de Calor, tipos
de Intercambiadores, diseño de Intercambiadores, cálculo del Coeficiente Global de
Transferencia de Calor. Cálculo del Coeficiente de Transferencia de Calor por
Convección mediante propiedades físicas.
2. Operaciones Unitarias III
2.1. Pre-Requisitos Principales
La materia de Operaciones Unitarias III, que pertenece al noveno semestre de la Carrera
Ingeniería Química, integra en su asignatura todos los conceptos de diseño de equipos a
través de los cuales se llevan a cabo los fenómenos de transporte de fluidos,
transferencia de masa y transferencia de calor.
Todos estos conceptos nos llevan a la fase final de las asignaturas de Operaciones
Unitarias mediante el diseño de equipos que es el aspecto más importante en la
formación de Ingenieros Químicos.
Para la asignatura de Operaciones Unitarias II, los estudiantes de la Carrera de
Ingeniería Química deberán no solo haber aprobado, sino tener conocimientos sólidos
las siguientes asignaturas:
Fenómenos de Transporte A
Fenómenos de Transporte B
Operaciones Unitarias I
Operaciones Unitarias II
Laboratorio de Operaciones Unitarias I
Laboratorio de Investigación
Análisis Numérico
Ecuaciones Diferenciales
Introducción a los Proceso Químicos
Termodinámica I
Termodinámica II
Diseño de Reactores Químicos I
Ciclo Básico en general
2.2. Objetivo General de la Materia
El objetivo general que persigue la enseñanza de Operaciones Unitarias III, es la de que
el estudiante pueda adquirir la capacidad de diseñar equipos de procesos químicos
mediante la aplicación de balances de masa, cantidad de movimiento y energía.
2.3. Objetivos Específicos de la Materia
Los objetivos específicos más importantes son:
Encarar el estudio de las Operaciones Unitarias III propiamente, que son de mayor
aplicabilidad al diseño de equipos de la Industria Química mediante los pilares
establecidos de los Fenómenos de Transporte en las dos Operaciones Unitarias
anteriores.
Estudiar en consecuencia las diferentes Operaciones Unitarias como Secado de
materiales de Proceso, Humidificación, Destilación, Absorción y otros, y a su vez
familiarizarse con las diferentes ecuaciones de diseño que permitirán calcular la
altura de columnas empacadas, el número de platos de una columna de destilación,
el número de unidades de extracción y otras variables.
2.4. Justificación
El estudio de las Operaciones Unitarias se constituye en la base de la comprensión de
los procesos de transporte de fluidos, transferencia de calor y transferencia de masa, los
mismos que son fundamentales en toda industria química. A través de un repaso de
estos procesos de transporte, ineludiblemente se ingresa en el diseño de equipos a través
de los cuales se llevan a cabo estos fenómenos. Al ser la Ingeniería Química el soporte
de los procesos de transformación fisicoquímica de los materiales, el estudio de las
Operaciones Unitarias, juntamente con el de los Reactores Químicos, se constituye en el
principal pilar de esta Ingeniería.
2.5. Contenido de la Materia
Secado De Materiales De Proceso
Introducción y Métodos de Secado. Equipos para Secado. Presión de Vapor del Agua y
Humedad. Contenido de Humedad en el Equilibrio de Materiales. Velocidad de las
Curvas de Secado. Métodos de Cálculo para el Período de Secado de Velocidad
Constante. Métodos de Cálculo para el Período de Secado de Velocidad Decreciente.
Transferencia de calor Combinada por Convección, Radiación y Conducción en el
Período de Velocidad Constante. Secado en el Período de Velocidad Decreciente por
Difusión y Flujo Capilar. Ecuaciones para Varios Tipos de Secadores. Secado
criogénico de Materiales Biológicos. Procesamiento Térmico en estado No Estacionario
y Esterilización de Materiales Biológicos.
Procesos De Separación Gas-Liquido Por Etapas Y Continuos
Tipos de Procesos de Separación y Métodos. Relaciones de Equilibrio entre Fases.
Etapas de Contacto de Equilibrio Simple y Múltiple. Transferencia de Masa entre Fases.
Procesos de Humidificación Continúa. Absorción en Platos y Torres Empacadas.
Absorción de Mezclas Concentradas en Torres Empacadas. Estimación de los
Coeficientes de Transferencia de Masa para Torres Empacadas.
Procesos De Separación Vapor-Liquido
Relaciones de Equilibrio Vapor-Líquido. Contacto de equilibrio de Simple Etapa para
Sistemas Vapor-Líquido. Métodos de Destilación Simple. Destilación con Reflujo y el
Método de McCabe-Thiele. Eficiencia de Plato en Destilación y Absorción. Destilación
Fraccionada Utilizando el Método Entalpía-Concentración. Destilación de Mezclas
Multicomponentes.
Procesos De Separación Liquido-Liquido Y Fluido-Solido
Introducción a los Procesos de Adsorción. Adsorción Discontinúa. Diseño de Columnas
de Adsorción de Lecho Fijo. Procesos de Intercambio Iónico. Procesos de Extracción
Líquido-Líquido de Simple Etapa. Equipos para Extracción Líquido-Líquido.
Extracción Continúa en Contracorriente en Múltiples Etapas. Introducción y Equipos
para Lixiviación Líquido-Sólido. Relaciones de Equilibrio y Lixiviación de Simple
Etapa. Lixiviación en Contracorriente en Múltiples Etapas.
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA
CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA
CUADERNO DE APUNTES
DE LAS MATERIAS DE
OPERACIONES UNITARIAS II Y III
CAPITULO III
FUNDAMENTOS TEORICOS
CAPITULO III
FUNDAMENTOS TEORICOS
FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE UN CUADERNO DE APUNTES
El plan de desarrollo quinquenal de la Universidad Mayor de San Simon, establece la
necesidad de modernizar los métodos del aprendizaje en la Universidad, implementando
modelos centrados en el estudiante, que además sean problematizadores y desarrollen
actitudes y hábitos de comportamiento que permitan un mejor desenvolvimiento en su
carrera profesional. Se busca alcanzar un equilibrio entre la educación orientada a la
formación de valores y actitudes acordes a los requerimientos sociales de la época, y el
acumulo de conocimientos y aptitudes que respondan a nuevas exigencias científico-
tecnológico del contexto internacional.
El empleo creciente de la informática educativa a generado un número creciente de
recursos pedagógicos y didácticos a todo nivel de formación, particularmente en la
educación superior, donde, por tratarse esencialmente de una educación de adultos, existe
un importante componente autodidacta, que está formando las funciones docentes y de
estudio.
Muchas cátedras se están plasmando en Cuadernos de Apuntes que contienen el texto de un
curso, la bibliografía completa, ejercicios teóricos, prácticos y muchas otras opciones con
alto contenido pedagógico y didáctico. Con este recurso las tareas docentes y estudiantiles
se transforman, pasando de la transferencia y recepción mecánica e ineficiente de datos e
información, al estudio y trabajo sobre problemas reales, muchas veces en un esquema de
Universidad abierta y a distancia.
La Carrera de Ingeniería Química empeñada en modernizar su sistema de enseñanza,
aprendizaje, establece como prioridad la aplicación de nuevas metodologías, en las que el
estudiante sea el elemento central del proceso, de manera que se pueda mejorar sus
actitudes a la resolución de problemas reales específicos, es decir, cambiar el enfoque
tradicional de enseñanza aprendizaje, a un enfoque problemático. En tal sentido establece
como estrategia el desarrollo de instrumentos académicos (Cuadernos de Apuntes, Textos,
Programas, Información de Internet, otros), que serán preparados por estudiantes egresados
dentro el programa de titulación por adscripción, para ser implementados en las distintas
asignaturas.
TEORÍA DE LA MATERIA DE OPERACIONES UNITARIAS II
TEMA 1 PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
1.1. Generalidades
1.1.1. Transferencia de Calor
Es el estudio de las velocidades a las cuales el calor se intercambia entre fuentes de
calor y receptores, también definido como el proceso por el que se intercambia
energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un
mismo cuerpo que están a distinta temperatura.
El calor puede transferirse de tres formas: por conducción, por convección y por
radiación. La conducción es la transferencia de calor a través de un objeto sólido: es
lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque sólo la punta esté en el
fuego. La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y
calientes: es la causa de que el agua de una tetera se caliente uniformemente aunque
sólo su parte inferior esté en contacto con la llama. La radiación es la transferencia
de calor por radiación electromagnética (generalmente infrarroja): es el principal
mecanismo por el que un fuego calienta la habitación.
1.1.2. Temperatura
Magnitud física que expresa el grado o nivel de calor de los cuerpos o del ambiente,
está asociada con la movilidad de las moléculas de un cuerpo, de tal forma que a
mayor movilidad mayor Temperatura.
1.1.3. Calor
Es un tipo de energía que se transfiere a un cuerpo a otro en virtud de una diferencia
de temperaturas y por lo tanto no puede ser almacenado.
El calor es energía en tránsito, es decir, siempre fluye de una zona de mayor
temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la
segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se
mantenga constante.
1.1.4. Energía
La energía es una abstracción matemática que representa la capacidad de realizar un
trabajo, para el caso de Transferencia de Calor el concepto cambiará por la
capacidad para producir un cambio o una transformación.
TEMA 2 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN
2.1. Conceptos
En la Conducción, dos materiales sólidos a diferente temperatura se ponen en contacto
directo, de tal forma que las moléculas del material a mayor temperatura, con mayor
movimiento molecular, transfieren energía en forma de movimiento a las moléculas del
cuerpo a menor temperatura, sin que exista un movimiento aparente de las moléculas de los
dos sólidos. Por tal razón la velocidad de transferencia de energía estará dada por una
propiedad de los materiales asociada a la capacidad de transferir la movilidad de sus
moléculas, dicha propiedad es conocida como Conductividad Térmica (K).
Cuando se transmite calor a través de un sólido, se deben tener dos conceptos importantes,
la velocidad de transferencia de calor y el perfil de Temperaturas dentro del sólido. La
velocidad de Transferencia de Calor se refiere al flujo de entrada o salida de energía en
forma de calor.
2.2. Ley de Fourier de la Conducción
La Ley de Fourier, relaciona los conceptos de Velocidad de Transferencia de Calor y el
Perfil de Temperatura, todo esto aplicado al flujo de calor en una sola dimensión para
distintas geometrías.
Esta Ley está expresada por: qconducci ón=−KAdTdx
Donde:
q Flujo de Calor
K Conductividad Térmica de los materiales
A Área de Transferencia
dT Diferencial de Temperaturas
dx Diferencial de separación entre dos puntos
2.3. Conductividad Térmica
La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que resulta del modelo lineal
entre el flujo de calor y el gradiente de temperatura, sin embargo su significado físico puede
partir del concepto de temperatura, entendida como la magnitud que permite determinar el
grado de movilidad de las partículas.
Para complementar el concepto de Conductividad térmica es importante mencionar que esta
Conductividad de materiales varía con la Temperatura pero de manera distinta, es decir
varía de diferente forma para sólidos, líquidos y gases respectivamente.
TEMA 3 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
3.1. Conceptos
En la Convección, la transferencia de calor se da entre dos puntos de un fluido, de tal forma
que debido a la altísima movilidad de sus moléculas, la mezcla entre ellas pasa a ser el
comportamiento predominante. Este mecanismo consiste en que cuando se tiene una
diferencia de temperatura dentro un fluido, se produce un movimiento de partículas, las
cuales también transfieren calor de una parte del fluido a otra.
3.2. Convección Natural
Cuando una superficie se pone en contacto con un fluido a distinta temperatura se produce,
en los primeros instantes, una transmisión de calor por conducción, pero una vez que el
fluido en contacto con la superficie modifica su temperatura, sufre una diferencia de
densidad respecto al resto del fluido, que hace que sea desplazado por este al actuar fuerzas
gravitatorias, lo que incrementa la transferencia del calor en una magnitud muy superior al
de la mera conducción.
3.3. Convección Forzada
Este tipo de Convección se diferencia en que el movimiento del fluido se debe a un
mecanismo externo, como por ejemplo agitadores, que fuerzan el movimiento de acuerdo a
las leyes de la mecánica de fluidos.
3.4. Ley de Fourier de la Convección
Debido a que la Convección es un mecanismo netamente aplicado a fluidos, se tienen
algunos problemas para la aplicación de la Ley de Fourier, concretamente, si la velocidad
de transferencia de calor está determinada por el grado de movilidad de las partículas, ya no
es posible aplicar el concepto de conductividad térmica.
Con el fin de superar estos inconvenientes se estableció un coeficiente de transferencia de
calor (h), denominado Coeficiente Convectivo o Coeficiente de película, de tal forma que la
expresión de Fourier es expresada como:
qconvectivo=hA dT
Donde:
q Flujo de Calor
h Coeficiente Convectivo
A Área de Transferencia
dT Diferencial de Temperaturas
3.5. Coeficiente Convectivo
El coeficiente Convectivo es esencial para el cálculo del flujo de calor por Convección, sin
este no podemos calcular este flujo, el mismo puede ser encontrado en algunos casos en
tablas, pero la mayor parte de las veces necesita ser calculado.
Este Coeficiente Convectivo dependerá del tipo de fluido, es decir de sus propiedades
como: Densidad (ρ), Viscosidad (µ), Capacidad Calorífica (Cp), Conductividad Térmica
(K), también será función de la geometría mediante la Longitud característica (L) y la
velocidad de movimiento del fluido (V).
Es decir: h = f (ρ, µ, Cp, K, L, V)
Para el cálculo del Coeficiente Convectivo, es necesario calcular Números Adimensionales,
como lo son:
o Número de Prandtl (Pr)
o Número de Reynolds (Re) Convección Forzada
o Número de Nussel (Nu)
Número de Grashof (Gr)
Número de Prandtl (Pr) Convección Natural
Número de Nussel (Nu)
Todos estos Números Adimesionales se complementan con las Analogías de Colburn.
TEMA 4 INTERCAMBIADORES DE CALOR
4.1. Conceptos
Un Intercambiador de Calor es un equipo utilizado para enfriar un fluido que está más
caliente de lo deseado, transfiriendo este calor a otro fluido que está frío y necesita ser
calentado. La transferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo
que separa ambos fluidos.
Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben diferentes
nombres:
Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de calentar y enfriar dos fluidos.
Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores.
Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua.
Calentador: Aplica calor sensible a un fluido.
Rehervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el calor de
re-ebullición que se necesita para la destilación. (Los hay de termosifón, de
circulación forzada, de caldera)
Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido
4.2. Tipos de Intercambiadores
Para un mejor estudio los Intercambiadores de Calor se clasifican de diferentes maneras,
una de las clasificaciones es la siguiente:
Intercambiadores de Doble Tubo
Intercambiadores Enfriados por Aire
Intercambiadores de Tipo Placa
Intercambiadores de Casco y Tubo
4.2.1. Intercambiadores de Doble Tubo
Consiste en un tubo pequeño que está dentro de otro tubo mayor, circulando los
fluidos en el interior del pequeño y entre ambos. Estos intercambiadores se utilizan
cuando los requisitos de área de transferencia son pequeños.
4.2.2. Intercambiadores Enfriados por Aire
Consisten en una serie de tubos situados en una corriente de aire, que puede ser
forzada con ayuda de un ventilador. Los tubos suelen tener aletas para aumentar el
área de transferencia de calor.
Pueden ser de hasta 40 ft (12 m) de largo y anchos de 8 a 16 ft (2,5 a 5 m). La
selección de un intercambiador enfriado por aire frente a uno enfriado por agua es
una cuestión económica, hay que consideran gastos de enfriamiento del agua,
potencia de los ventiladores y la temperatura de salida del fluido (un intercambiador
de aire, tiene una diferencia de temperatura de unos 15 ºF (8 ºC)). Con agua se
obtienen diferencias menores.
4.2.3. Intercambiadores de Placa
Llamados también intercambiadores compactos, Admiten una gran variedad de
materiales de construcción, tiene una elevada área de intercambio en una
disposición muy compacta. Por motivos de construcción están limitados a presiones
pequeñas.
Pueden ser de dos tipos:
Intercambiadores de tipo placa y armazón, que son similares a un filtro
prensa.
Intercambiadores de aleta de placa con soldadura.
4.2.4. Intercambiadores de Casco y Tubo
Son los intercambiadores más ampliamente utilizados en la industria química y con
las consideraciones de diseño mejor definidas. Consisten en una estructura de tubos
pequeños colocados en el interior de un casco de mayor diámetro.
Las consideraciones de diseño están estandarizadas por The Tubular Exchanger
Manufacturers Association (TEMA)
4.3. Diseño de Intercambiadores
Para el diseño de Intercambiadores usaremos todos los conceptos aprendidos a lo largo del
trayecto de las asignaturas de Operaciones Unitarias, es decir, aplicaremos los conceptos de
Transporte de Fluidos, Transferencia de Calor Conductiva, Convectiva y Radioactiva,
Transferencia de Masa entre otros, que nos ayudarán en el diseño de cualquier tipo de
Intercambiador elegido.
Cada tipo de Intercambiador tiene conceptos distintos de diseño, es decir, en cada uno de
los intercambiadores usaremos diferentes elementos de diseño.
Algunos de los conceptos nuevos a aprender para el correcto diseño de Intercambiadores
serán:
Temperatura Media Logarítmica
Pérdidas de Presión en ambas partes del Intercambiador
Cálculo del Coeficiente Global de Transferencia de Calor
Estimar coeficientes de suciedad en ambas partes del Intercambiador
Seleccionar el diámetro, espesor, material, longitud y configuración de los tubos a
ser usados dentro del Intercambiador.
Otros
TEORÍA DE LA MATERIA DE OPERACIONES UNITARIAS III
TEMA 1 SECADO
1.1. Conceptos
Secado se refiere a la eliminación de líquidos, en cantidades grandes, de un material sólido,
por medio de vapor arrastrado por un gas. El líquido a remover, es generalmente agua, no
obstante hay otros.
El estudio del secado es de trascendental importancia en Ingeniería Química, debido a que
es una operación unitaria básica, para el manejo de productos sólidos
1.2. Métodos de secado
De acuerdo al tipo de proceso de secado, se puede separar el proceso, en proceso continuo y
proceso batch. En general, se comprende por secado continuo, el secado en procesos en los
que no hay acumulación de sólidos en un recipiente cerrado. Obviamente, el proceso batch,
es el proceso en el cual se alimenta un secador y se termina la operación en el momento en
que se extrae todo el material alimentado.
De acuerdo con las condiciones en que se realiza el secado, pueden mencionarse los
secadores en los cuales el calor se añade directamente a los materiales, por medio de aire
caliente y a presión atmosférica. Otro método de secado consiste el secado al vacío, en el
cual se trabajan materiales termolábiles. Finalmente está el secado en la liofilización, el
agua se sublima directamente del material congelado.
1.3. Clasificación de los secadores
Los secadores se clasifican según:
Secadores directos.
Secadores indirectos.
Secadores diversos.
Secadores discontinuos o por lote.
Secadores continuos.
Secadores para sólidos granulares o rígidos y pastas semisólidas.
Secadores que pueden aceptar alimentaciones líquidas o suspensiones.
1.3.1 Secadores directos
La transferencia de calor para la desecación se logra por contacto directo entre los
sólidos húmedos y los gases calientes. El líquido vaporizado se arrastra con el
medio de desecación; es decir, con los gases calientes. Los secadores directos se
llaman también secadores por convección.
Secadores Continuos: la operación es continua sin interrupciones, en tanto se
suministre la alimentación húmeda. Es evidente que cualquier secador
continuo puede funcionar en forma intermitente o por lotes, si así se desea.
Secadores Por lotes: se diseñan para operar con un tamaño específico de lote
de alimentación húmeda, para ciclos de tiempo dado. En los secadores por
lote las condiciones de contenido de humedad y temperatura varían
continuamente en cualquier punto del equipo.
1.3.2 Secadores indirectos
El calor de desecación se transfiere al sólido húmedo a través de una pared de
retención. El líquido vaporizado se separa independientemente del medio de
calentamiento. La velocidad de desecación depende del contacto que se establezca
entre el material mojado y las superficies calientes. Los secadores indirectos se
llaman también secadores por conducción o de contacto.
Secadores I-Continuos: la desecación se efectúa haciendo pasar el material
de manera continua por el secador, y poniéndolo en contacto con las
superficies calientes.
Secadores I-Por lotes: en general los secadores indirectos por lotes se
adaptan muy bien a operaciones al vacío. Se subdividen en tipos agitados y
no agitados.
1.4. Equipos para Secado
El equipo de secado, puede ser tan sencillo como un soplador con una resistencia adaptada,
o tan complejo como un secador rotatorio.
Secado en Bandejas
Secadores indirectos al vacío con anaqueles
Secadores continuos de túnel
Secadores Rotatorios
Secadores de tambor rotatorio
Secadores por aspersión
1.5. Factores que intervienen en el proceso de secado
1.5.1. Temperatura del aire
La temperatura desempeña un papel importante en el proceso de secado. En forma
general, conforme incrementa su valor se acelera la eliminación de humedad dentro
de los límites posibles.
Existen diversos nivelen de temperatura que se mantienen durante el proceso
técnico del secado:
1.5.2. Temperatura de bulbo seco
Es aquella de ambiente, se mide con instrumentación ordinaria como un termómetro
de mercurio.
1.5.3. Temperatura superficial
Es la de la especie a secar, generalmente se mide por medio de un sensor infrarrojo.
1.5.4. Temperatura de bulbo húmedo
Es la temperatura de equilibrio dinámico obtenida por una superficie de agua
cuando la velocidad de transferencia de calor por convección, es igual a la
transferencia de masa que se aleja de la superficie
Durante el proceso de secado se origina un gradiente de temperatura con respecto al
espesor del material, mismo que tiende a disminuir conforme se reduce el contenido
de humedad.
1.5.5. Humedad relativa del aire
Se define como la razón de la presión de saturación de vapor de agua a la misma
temperatura. Generalmente se expresa en (%) la medida que se incrementa la
temperatura del aire aumenta su capacidad de absorción de humedad y viceversa.
Cuando el aire contiene su máxima capacidad, se dice que se trata de un aire
completamente saturado y por lo tanto incapaz de absorber mas humedad, por el
contrario, un aire no saturado tiene la posibilidad de absorber una cantidad
determinada de humedad hasta lograr su saturación.
1.5.6. Velocidad del aire
La velocidad del aire dentro del secador tiene como funciones principales, en primer
lugar, transmitir la energía requerida para calentar el agua contenida en el material
facilitando su evaporación, y en segundo lugar, transportar la humedad saliente del
material.
La capa limite que existe entre el material a secar y el aire juega un papel importante
en el secado. Cuanto menor sea el espesor de esta capa limite, más rápida será la
remoción de humedad.
TEMA 2 ABSORCION
2.1. Concepto
Absorción es la operación unitaria que consiste en la separación de uno o más componentes
de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente líquido con, cual forma solución. Este
proceso implica una difusión molecular turbulenta o una transferencia de masa del soluto A
a través del gas B, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido C, también en
reposo.
2.2. Solubilidad de gases en líquidos en el equilibrio
2.2.1. Sistemas de dos componentes
Si cierta cantidad de un gas simple y un líquido relativamente no volátil se llevan al
equilibrio la concentración resultante del gas disuelto en el líquido recibe el nombre
de solubilidad del gas a la temperatura y presión predominantes.
2.2.2. Sistemas de multicomponentes
Si una mezcla de gases se pone en contacto con un líquido, la solubilidad en el
equilibrio de cada gas será, en ciertas condiciones, independiente de la de los demás,
siempre y cuando el equilibrio se describa en función de las presiones parciales en la
mezcla gaseosa.
Hay cuatro características significativas de las soluciones ideales:
Las fuerzas intermoleculares promedio de atracción y repulsión en la solución
no cambian al mezclar los componentes.
El volumen de la solución varía linealmente con la composición.
No hay absorción ni evolución de calor al mezclar los componentes. Sin
embargo, en el caso de gases que se disuelven en líquidos, este criterio no
incluye el calor de condensación del gas al estado líquido.
La presión total de vapor de la solución varía linealmente con la composición
expresada en fracción mol.
2.3. Elección del disolvente para la absorción
Si el propósito principal de la operación de absorción es producir una solución específica,
el disolvente es especificado por la naturaleza del producto. Si el propósito principal es
eliminar algún componente del gas, casi siempre existe la posibilidad de elección. Por
supuesto, el agua es el disolvente más barato y más completo, pero debe darse considerable
importancia a las siguientes propiedades:
Solubilidad del gas
Volatilidad
Corrosión
Costo
Viscosidad
2.4. Torres empacadas o de relleno
Las torres empacadas, o torres de relleno, utilizadas para el contacto continuo del líquido y
del gas tanto en el flujo a contracorriente como a corriente paralela, son columnas verticales
que se han llenado con empaque o con dispositivos de superficie grande. El líquido se
distribuye sobre éstos y escurre hacia abajo, a través del lecho empacado, de tal forma que
expone una gran superficie al contacto con el gas.
2.4.1 Empaque
El empaque de la torre debe ofrecer las siguientes características:
Proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el gas.
El empaque debe permitir el paso de grandes volúmenes de fluido a través de
pequeñas secciones transversales de la torre, sin recargo o inundación; debe ser
baja la caída de presión del gas.
Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se están procesando.
Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la instalación.
Tener bajo precio.
Los empaques son principalmente de dos tipos, aleatorios y regulares.
2.4.2. Cuerpo de la torre
Esta puede ser de madera, metal, porcelana química, ladrillo a prueba de ácidos,
vidrio, plástico, metal cubierto de plástico o vidrio, u otro material, según las
condiciones de corrosión.
2.5. Absorción con reacción química
Muchos procesos industriales de absorción van acompañados de una reacción química, es
especialmente común la reacción en el líquido del componente absorbido y de un reactivo
en el líquido absorbente.
Es importante una buena elección del disolvente que participará en la absorción, si con la
absorción queremos obtener una solución específica, el disolvente que debemos utilizar
viene indicado por la naturaleza del producto. Si en cambio el propósito principal es
eliminar alguno de los componentes que constituyen el gas, por lo general existirá una
amplia elección. Claramente el agua es el disolvente con menor precio y también el más
completo, aunque se debe dar importancia a propiedades como:
La solubilidad del gas
La volatilidad
corrosión
El costo
Viscosidad
Misceláneos
TEMA 3 HUMIDIFICACION
3.13. Concepto
Normalmente al hablar de humidificación se hace referencia al estudio de mezclas de aire y
vapor de agua; en lo que sigue consideraremos aplicables a cualquier tipo de mezclas
constituidas por un gas y un vapor.
3.2. Humidificación
La humidificación es una operación que consiste en aumentar la cantidad de vapor presente
en una corriente gaseosa; el vapor puede aumentar pasando el gas a través de un líquido que
se evapora en el gas. Esta transferencia hacia el interior de la corriente gaseosa tiene lugar
por difusión y en la interfase hay, simultáneamente, transferencia de calor y de materia.
A grandes rasgos, el proceso que tiene lugar en la operación de humidificación es el
siguiente:
Una corriente de agua caliente se pone en contacto con una de aire seco (o con bajo
contenido en humedad), normalmente aire atmosférico.
Parte del agua se evapora, enfriándose así la interfase.
El seno del líquido cede entonces calor a la interfase, y por lo tanto se enfría.
A su vez, el agua evaporada en la interfase se transfiere al aire, por lo que se
humidifica.
3.3. Deshumidificación
La deshumidificación es una operación que consiste en reducir la cantidad de vapor
presente en una corriente gaseosa, mediante una condensación parcial del vapor, que se
separa.
3.4. Diagrama Psicométrico o diagrama de humedad
El diagrama psicométrico permite la obtención mediante lectura directa de la mayoría de
las propiedades de las mezclas aire-vapor de agua que son necesarias en los cálculos a
realizar en la operación de humidificación, para una presión determinada.
En la figura Nº 1, se muestra una carta psicométrica básica. Está hecha con datos basados a
la presión atmosférica normal de 101.325 KPa, y las unidades son las del Sistema
Internacional, S.I. Las temperaturas están en grados centígrados; el volumen en m³/kg; la
humedad relativa en porcentajes; el contenido de humedad en g/kg aire seco; la entalpía y
la entropía están en kilo Joules (kJ) por kg de aire seco. Un KJ/kg = 0.239 Kcal/kg = 0.430
Btu/lb.
En una carta psicométrica se encuentran todas las propiedades del aire, de las cuales las de
mayor importancia son las siguientes:
Temperatura de bulbo seco (bs).
Temperatura de bulbo húmedo (bh).
Temperatura de punto de rocío (pr)
Humedad relativa (hr).
Humedad absoluta (ha).
Entalpía (h).
Volumen específico.
Conociendo dos de cualquiera de estas propiedades del aire, las otras pueden determinarse a
partir de la carta.
A continuación se muestra la carta psicométrica para valores de temperaturas normales y
una presión de 1 atm.
Figura Nº 1. Carta psicométrica a temperaturas normales y presión barométrica de 101.325 kPa (al nivel del mar). Las unidades están en el sistema internacional (SI).
3.5. Humedad molar o saturación molar
Es la relación entre los números de moles de vapor y de gas contenidos en una determinada
masa gaseosa.
3.6. Humedad absoluta o saturación absoluta
Es la relación entre el peso de vapor y el peso de gas contenido en una masa gaseosa.
3.7. Humedad relativa o saturación relativa
La humedad relativa, es un término utilizado para expresar la cantidad de humedad en una
muestra dada de aire, en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría,
estando totalmente saturado y a la misma temperatura de la muestra. La humedad relativa
se expresa en porcentajes.
Es el cociente entre la presión parcial del vapor y la tensión de vapor a la misma
temperatura.
3.8. Humedad porcentual o saturación porcentual
La humedad porcentual, es un término que algunas veces se confunde con la humedad
relativa. La humedad porcentual, es 100 veces la relación del peso de vapor de agua con el
peso del vapor de agua necesario para saturar un kilogramo de aire seco a la temperatura
del bulbo seco.
Es la relación entre la humedad existente en la masa gaseosa y la que existiría si estuviera
saturada.
3.9. Punto de Rocío
El punto de rocío se define como: la temperatura debajo de la cual el vapor de agua en el
aire, comienza a condensarse. También es el punto de 100% de humedad. La humedad
relativa de una muestra de aire, puede determinarse por su punto de rocío.
Es la temperatura que alcanza la masa de gas húmedo en la saturación por enfriamiento a
presión constante. Una vez alcanzada esta temperatura, si se continúa enfriando la mezcla
se irá condensando el vapor, persistiendo las condiciones de saturación
3.10. Calor especifico del gas húmedo
Es el calor que hay que suministrar a 1 kg de gas y al vapor que contiene para elevar 1º C
su temperatura, manteniendo constante la presión.
3.11. Entalpía Específica
Es la suma del calor sensible de 1 kg de gas, y el calor latente de vaporización del vapor
que contiene a la temperatura a la que se refieran las entalpías.
3.12. Temperatura Húmeda o Temperatura del Termómetro Húmedo
Es la temperatura estacionaria que alcanza una pequeña masa de líquido sumergida, en
condiciones adiabáticas, en una corriente de aire (figura 2). La temperatura de termómetro
húmedo se determina a partir del siguiente ensayo. Se recubre el bulbo de un termómetro
con un algodón empapado con el líquido del vapor presente en el gas, a continuación se
hace pasar a su alrededor una corriente de gas no saturado a alta velocidad. Parte del
líquido se evapora, por lo que va descendiendo la temperatura del líquido, que al ser
inferior a la del gas, tiene lugar una transmisión de calor desde el gas al líquido.
Figura 2: Temperatura de bulbo húmedo
Es la temperatura límite de enfriamiento alcanzada por una pequeña masa de líquido en
contacto con una masa mucho mayor de gas húmedo.
TEMA 4 DESTILACION
4.1. Concepto
La destilación es un proceso que consiste separar los distintos componentes de una mezcla
por vaporización parcial de la misma. Para ello que se calienta esa sustancia, normalmente
en estado líquido, para que sus componentes más volátiles pasen a estado gaseoso o de
vapor y a continuación volver esos componentes al estado líquido mediante condensación
por enfriamiento.
La destilación es una de las operaciones básicas más importantes de la industria química y
permite separar los componentes de una mezcla liquida al estado de sustancias puras.
4.2. Tipos de destilación
• Destilación simple
• Destilación fraccionada
• Destilación por vapor
• Destilación al vacío
• Destilación molecular centrífuga
• Sublimación
• Destilación destructiva
4.2.1. Destilación Simple
Consiste en la vaporización total de una mezcla con producción de vapor más rico
en componentes volátiles de la mezcla líquida inicial, quedando un residuo líquido
en componentes menos volátiles.
Se puede llevar a cabo de dos maneras:
Destilación de Equilibrio o cerrada
Destilación Diferencial o abierta
4.3. Rectificación
La operación de rectificación consiste en hacer circular en contracorriente, el vapor de una
mezcla con el condensado procedente del mismo vapor en un aparato denominado Columna
de Rectificación.
Las partes esenciales de una Columna de Rectificación son:
Columna
Calderín
Condensador de Reflujo
El tiempo de contacto entre la fase líquida y vapor es un factor muy importante, debido a
que ambas fases deben conseguir un alto intercambio de materia.
4.4. Método de McCabe-Thiele
El enfoque gráfico presentado por McCabe y Thiele, se considera el más simple y quizás el
más ilustrativo para el análisis de la destilación binaria. Este método usa el hecho de que la
composición de cada plato teórico (o etapa de equilibrio) está totalmente determinada por la
fracción molar de uno de los dos componentes.
El método de McCabe-Thiele se basa en el supuesto de desbordamiento de molar constante
que exige que:
Los calores molares de vaporización de los componentes de la alimentación son
iguales.
Así para cada mol de líquido vaporizado se condensa un mol de vapor.
Los efectos del calor, tales como calores de disolución y la transferencia de calor
hacia y desde la columna de destilación se consideran despreciables.
4.4.1. Construcción y uso del diagrama de McCabe-Thiele
Antes de comenzar la construcción y uso de un diagrama de McCabe-Thiele para la
destilación de una alimentación binaria, debemos obtener los datos del equilibrio
líquido-vapor para el componente de menor punto de ebullición de la alimentación.
Figura 3: Típico diagrama de McCabe Thiele para la destilación mezcla de alimentación binaria. El eje
horizontal será para la fracción molar (identificado por x) del componente de menor punto de ebullición de la
alimentación en la fase líquida. El eje vertical será para la fracción molar (identificado por y) también para el
mismo componente pero en fase de vapor.
4.5. Relaciones de Equilibrio
Para separar los componentes de una mezcla liquida por destilación es condición necesaria
que la composición el vapor producido en la ebullición de la mezcla sea diferente de la
composición del liquido de partida; por ello, el conocimiento de las relaciones de equilibrio
entre ambas fases es esencial para la resolución analítica de los problemas de Destilación.
En todas las consideraciones nos referiremos a mezclas binarias, algunas de las relaciones
de equilibrio más importantes son:
Diagramas de Ebullición
Diagramas de Presión de Vapor
Diagramas de Equilibrio
4.6. Ley de Raoult
Cuando se trata de disoluciones ideales se pueden determinar los datos para la construcción
de los diagramas anteriores a partir de las tensiones de vapor de los componentes puros.
Este comportamiento ideal se presenta en mezclas cuyos constituyentes muestran gran
semejanza química y se aproximan a este comportamiento las mezclas cuyos componentes
tienen iguales presiones críticas. Estas disoluciones obedecen a la Ley de Raoult, según la
cual: “La presión de vapor de cada componente es igual al producto de la fracción molar de
dicho componente en la fase líquida por la tensión de vapor del componente puro a la
misma temperatura”.
4.7. Volatilidad Relativa
Se denomina volatilidad de un componente en una mezcla, a la relación entre su presión
parcial de vapor y su concentración en la fase líquida.
4.8. Reflujo Mínimo
Para efectuar una separación determinada se puede elegir arbitrariamente una relación de
reflujo L/V dentro de ciertos límites. A medida que se hace menor la Relación de Reflujo se
hace mayor el número de platos necesarios, pero la relación L/V no puede descender por
debajo de un valor que es función de la composición del destilado y de las condiciones de
la alimentación, a este valor se denomina Reflujo Mínimo.
