Guia Equipos Operaciones Unitarias
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD BOLIVARIANA DE VENEZUELA CENTRO DE ESTUDIOS EN CIENCIAS DE LA ENERGÍA Sede Principal Los Chaguaramos, Piso 9 Caracas Distrito Capital 0212- 606383 - 0212- 606398!
GUÍA DE DISEÑO DE EQUIPOS DE OPERACIONES OPERACIONES UNITARIAS UNITARIAS
"ng# $es%s Puerta "ng# Samanda &an'anilla 1
Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
DISEÑO DE TANQUES ATMOSFERICOS Los tan(ues son dep)sitos dise*ados para almacenar l+(uidos gases# Se presentan de orma cil+ndrica, a.iertos es/ricos, con diersas dimensiones de acuerdo a la capacidad de almacenae# ntre las categor+as de tan(ues, eisten tres generales4 5an(ues atmos/ricos# 5an(ues de .aa presi)n# 5an(ues de alta presi)n#
Los Tanques A!os"#$%&os, son los tipos de tan(ues de almacenae ms comunes, tienen una presi)n de de hasta 2,! psig, usualmente usualmente son construidos en acero pero tam.i/n los ha de P7C Policloruro de 7inilo o en :;P Pol+meros ;eor'ados con :i.ra# Los Tanques 'e Ba(a P$es%)n , estn dise*ados desde presiones internas desde la atmos/rica hasta 1! psig, el material de construcci)n de este tipo de tan(ue es el acero, sin em.argo, tam.i/n los ha a.ricados en P7C :;P pero son menos comunes# Los Tanques anques 'e A*a A*a P$es%) P$es%)n+ n+ este este tipo tipo de tan( tan(ue ue est est dise dise*a *ado do para para presiones de operaci)n por encima de 1! psig# 2 S (ue ece ecede de el tech techo o lot lotan ante te,, el nitr) nitr)ge geno no es sumi sumini nist stra rado do por por una una l lul ula a controladora e indicadora de presi)n P"C#
'-. Tanques A0%e$os o S%n Te&/oSon los tan(ues construidos a cielo a.ierto, tipo represas se utili'an para almacenar grandes cantidades de productos (ue no sean oltiles# e-. Tanques 'e Fo$!a Es"#$%&aSon los tan(ues utili'ados para almacenar productos .isicos ?as-L+(uido, (ue operan operan a presi) presi)n n maor maor (ue la atmos atmos/rica# /rica# l comporta comportamient miento o de las mol/culas se encuentra en constante moimiento circular, ocupando todo el espacio (ue lo contiene# "-. Tanques &on Te&/o 1 Fon'o C)n&a2oste tan(ue est dise*ado para almacenar productos con altas presiones, los cuales pueden ser eercidos por l+(uidos @o gases# stos tipos de tan(ues son de menor tama*o (ue los anteriores se utili'an maormente en las plantas de reinaci)n cumpliendo unciones de tam.or acumulador o tan(ue de epansi)n# Se presentan en orma ertical u hori'ontal con .otas @o domos# Pa$es 'e un Tanque 'e Te&/o F%(o, a-. Bo&a 'e a"o$o, es la a.ertura u.icada en el techo del tan(ue, (ue permite las la.ores de aoraci)n# = partir de la .oca de aoro, se determina la altura de reerencia o el punto de aoraci)n del tan(ue# La .oca de aoro, se le conoce tam.i/n como clara .oa# 0-. Res3%$a'e$o, son dispositios u.icados en el techo del tan(ue, el cual impide impide la acumul acumulaci aci)n )n de presi) presi)n n ecesi ecesia a al reali' reali'ars arse e la operac operaci)n i)n de llenado# =dems permite la entrada de aire cuando el tan(ue est siendo aciado, para eitar deormaciones# &-. Ro!3e V%eno4 es una estructura metlica, en orma de alla, (ue permite al aorador eectuar su la.or sin interrupci)n del iento# La misma posee una regla cali.rada para iar los nieles en el cordel para la toma de muestras# stos rompe ientos ientos solo eisten eisten en los tan(ues de de techo io# '-. Bo&a 'e Ins3e&&%)n o 'e V%s%a, es la estructura metlica .ridada, (ue permite el pase de personal al interior en caso de mantenimiento o reparaci)n del tan(ue# e-. Boqu%**as, es una punta de l+nea .ridada, u.icada en la parte inerior del tan(ue, el cual permite la instalaci)n de una tu.er+a auiliar para el drenae del ondo en caso de mantenimiento#
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"-. Te$!o3o4o, espacio de la pared del tan(ue donde est u.icado el termocupla de medici)n transmisi)n de temperatura a la sala de control# =dems posee un indicador de temperatura, u.icado en la parte eterior del tan(ue#
5-. L6nea 'e D$ena(e, es una instalaci)n u.icada mu cerca del ondo de los tan(ues, (ue permite desaloar el agua de los crudos productos# /-. L6neas 'e en$a'a 1 sa*%'a, son tu.er+as dise*adas para almacenar o transerir crudos productos# =m.as l+neas estn u.icadas cerca del ondo del tan(ue cumpliendo con las normas de seguridad# E7EMPLO4 Dise*ar un tan(ue atmos/rico para almacenar .enceno por 1! d+as a las siguientes condiciones4 D%a5$a!a 'e* Equ%3o:
T – 101
F = 2550 kg/h ρ =859 kg/m3 T= 40 °C P= 1 atm Benceno
T%e!3o 'e A*!a&ena!%eno, l tiempo de almacenamiento seleccionado ha sido de 1! D+as# 5iempo suiciente para no perder la continuidad del proceso, la reposici)n de dicho compuesto# T%3o 'e Tanque a U%*%4a$, Para conocer el tipo de tan(ue a utili'ar, se de.e hallar la presi)n de apor de la sustancia a alimentar a la temperatura de almacenamiento# La presi)n de apor es generalmente el criterio decisio para elegir el tipo de tan(ueA por eemplo, para .aas presiones se recomienda elegir un tan(ue tipo ?1 o ?2, para presiones ms eleadas, se recomienda elegir tan(ues tipo ?3# Presi)n de 7apor del Benceno a la temperatura de =lmacenamiento4 La epresi)n para el clculo de la presi)n de apor del Benceno a una temperatura determinada es4 logP=-B@5C 6#90!-1211#03@220#95 La 5emperatura de g 0#2E atm# Para esta presi)n se recomienda escoger un 5an(ue del 5ipo ?2#
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C8*&u*o 'e *a &a3a&%'a' 'e* anque, La capacidad del tan(ue se calcula por medio de la cuaci)n4 C
: t
Donde4 C es la capacidad del tan(ue, m 3# : es la elocidad &sica del luido para almacenar, Gg@h# s la densidad olum/trica del luido para almacenar, Gg@m 3# t es el tiempo de almacenamiento del luido, h# La capacidad calculada para este tan(ue es4 C
2550 * 360
1069 m3
859
Ca3a&%'a' $ea* 'e* anque, La capacidad o.tenida para el tan(ue de.e aproimarse a una capacidad ta.ulada, para de esta manera, poder tomar los datos disponi.les en la .i.liogra+a# =dems, esto permite dise*ar con un porcentae de so.redise*o si se escoge una capacidad por encima de la calculada# La capacidad ms pr)ima por encima de la calculada es de 1220 m3# Hna e' seleccionada esta capacidad, se pueden o.tener el porcentae de so.redise*o# C8*&u*o 'e* Po$&ena(e 'e So0$e'%se9o, l porcentae de so.redise*o se puede calcular en .ase a la capacidad calculada su dierencia con la capacidad real4 Iso.redise*o
Creal C
Iso.redise*o
1220
C
J100
1069
1220
J1001EI
D%!ens%)n 'e *as &/a3as, K%mero de las chapas por irola4 K
* D
2
* 12
2
6 chapas
D12 m =ltura del cuerpo 10#8 m =ltura de la chapa 1#8 m 2 es el ancho de una irola K%mero de irolas del cuerpo4 10#8@1#8 6 irolas K%mero total de chapas4 Kch K Kirolas
K%mero de chapas totales del cuerpo 6J6 36 chapas 5
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Es3eso$ 'e* anque 1 !ae$%a* a u%*%4a$, Para determinar el espesor de pared se de.e conocer la presi)n temperatura de dise*o del e(uipo, donde la primera estar comprendida por la presi)n de apor del compuesto as+ como de la presi)n hidrosttica del l+(uido, esto en ista (ue el almacenamiento se dar en condiciones atmos/ricas# PopPghPatm)serica 0#2E8!9J9#8J10#8@1013001 Pop2#1E atm Pdise*o1#1!J2#1E 2#E6 atm 1!I so.redise*o Pmanom/trica dise*o 2#E6J1E#-1E# 21#E6 psig 5emperatura de dise*o 121FC temp operaci)n E0FCM 93FC Seg%n la ta.la de resistencia (u+mica de los materiales, se tiene (ue para el compuesto a almacenar, se puede utili'ar acero, (ue tienen una .uena resistencia para contenerlo# Se emplear como material de ela.oraci)n del tan(ue acero al car.ono C-Si, numero S=-!16, grado !! cuo alor de esuer'o seg%n la reerencia es de 13800psi# Puede entonces calcularse el espesor del material# n .ase a los tipos de ustas soldadas, se asume un alor de la eiciencia de la unta de 0,8! suponiendo (ue el material ue radiograiado por 'onas, para colocar un pe(ue*o so.redise*o al e(uipo, mientras (ue seg%n el mismo autor, c es el margen de corrosi)n cuo alor satisactorio para recipientes es de 0,12! pulg# Pmag * D
e 2 * S * 0.8 * Pmag Ec 21.46 * 472.4 2 *13800 * 0.85 0.8 * 21.46
e
0.125 0.56 pu lg 14.2mm
D%!ens%ones 'e* Tanque T.:;: Capacidad, m3 Dimetro, m =ltura del cuerpo, m Supericie del ondo, m 2 :orma del techo structura =ngulo de ca.e'a, mm 5echoespesor de chapa, mm :ondoespesor de chapa, mm spesor del cuerpo, mm K%mero de chapas totales 5ipo &aterial
6
1220 12 10#8 113#1 s/rico, lecha 1@12 Sin pies derechos 0J0J ! 8 1E#2 36 ?2cil+ndrico ertical =cero al car.ono
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DISEÑO DE SEPARADORES n el caso de me'clas aporNl+(uido, la me'cla de ases entra al separador , si eiste, choca contra un aditamento interno u.icado en la entrada, lo cual hace (ue cam.ie el momentum de la me'cla, proocando as+ una separaci)n gruesa de las ases# Seguidamente, en la secci)n de decantaci)n espacio li.re del separador, act%a la uer'a de graedad so.re el lu+do permitiendo (ue el l+(uido a.andone la ase apor caiga hacia el ondo del separador secci)n de acumulaci)n de l+(uido# sta secci)n proee del tiempo de retenci)n suiciente para (ue los e(uipos aguas a.ao pueden operar satisactoriamente , si se ha tomado la preisi)n correspondiente, li.erar el l+(uido de las .ur.uas de gas atrapadas# n el caso de separaciones (ue incluan dos ases l+(uidas, se necesita tener un tiempo de residencia adicional, dentro del tam.or, lo suicientemente alto para la decantaci)n de una ase l+(uida pesada, la Olotaci)n de una ase l+(uida liiana Kormalmente, pueden identiicarse cuatro 'onas principales en los separadores
Se3a$a&%)n 3$%!a$%a l cam.io en la cantidad de moimiento de las ases a la entrada del separador genera la separaci)n gruesa de las ases# sta 'ona inclue las .o(uillas de entrada los aditamentos de entrada, tales como delectores ) distri.uidores# Se3a$a&%)n se&un'a$%a Durante la separaci)n secundaria se o.seran 'onas de ase continua con gotas dispersas ase discontinua, so.re la cual act%a la uer'a de graedad# sta uer'a se encarga de decantar hasta cierto tama*o de gotas de la ase pesada discontinua en la ase liiana continua# 5am.i/n produce la lotaci)n de hasta un cierto tama*o de gotas de la ase l+(uida liiana ase discontinua, en la ase pesada continua# n esta parte del recipiente la ase liiana se muee a una elocidad relatiamente .aa con mu poca tur.ulencia# Se3a$a&%)n 3o$ &oa*es&en&%a n ciertas situaciones, no es acepta.le (ue gotas mu inas de la ase pesada discontinua sean arrastradas en la ase liiana4 por ello es necesario (ue, por coalescencia, tales gotas inas alcancen un tama*o lo suicientemente grande para separarse por graedad4 para lograrlo se hace necesario tener elementos como los eliminadores de nie.la ) &allas para el caso de separadores l+(uidoN apor, o las esponas o platos coalescedores, en el caso de la separaci)n l+(uidoNl+(uido Re&o*e&&%)n 'e *as "ases *6qu%'as Las ases l+(uidas a separadas re(uieren de un olumen de control emergencia para una operaci)n conia.le segura de los e(uipos aguas a.ao#
Ine$nos 7
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Para audar al proceso de separaci)n @) impedir pro.lemas de operaci)n aguas a.ao del e(uipo separador, dentro del tam.or se incluen ciertos aparatos, los cuales sern conocidos gen/ricamente como O"nternos# ntre los internos ms usados se tienen4 N De"*e&o$es < D%s$%0u%'o$es < C%&*ones 'e en$a'a4 stos aditamentos internos adosados a las .o(uillas de entrada, se emplean para producir un cam.io de cantidad de moimiento o de direcci)n de luo de la corriente de entrada, as+ producir la primera separaci)n mecnica de las ases, adems de generar en el caso de los distri.uidores, un patr)n de luo dentro del recipiente (ue acilite la separaci)n inal de las ases, reduciendo posi.lemente el tama*o de la .o(uilla de entrada , en cierta medida, las dimensiones del e(uipo mismo# N E*%!%na'o$es 'e N%e0*a4 Los eliminadores de nie.la son aditamentos para eliminar pe(ue*as gotas de l+(uido (ue no pueden ser separadas por la simple acci)n de la graedad en separadores aporNl+(uido# ntre los dierentes tipos eistentes, destacan las mallas de alam.re ) plstico, conocidos popularmente como Odemisters ) O&allas N Ro!3e 2)$%&es4 stn adosados internamente a las .o(uillas de l+(uido, su unci)n es eitar el arrastre de .ur.uas de apor@gas en la corriente l+(uida (ue dea el tam.or#
C*as%"%&a&%)n 1 'es&$%3&%)n 'e *os se3a$a'o$es Los separadores pueden clasiicarse, seg%n su orma en4 N Separadores cil+ndricos N Separadores es/ricos N Separadores de dos .arriles 5am.i/n los separadores cil+ndricos pueden clasiicarse seg%n su orientaci)n en4 N Separadores erticales N Separadores hori'ontales
Cons%'e$a&%ones 5ene$a*es %!3o$anes,
Separadores de l+(uido son usualmente hori'ontales# Separadores ?asli(uido son generalmente erticales ;elaci)n )ptima Largo@Dimetro es de 2,! a ! l tiempo de residencia para tam.ores de reluo es de ! minutos Los separadores li(uido-li(uido de.en ser dise*ados para elocidades de 2 a 3 plg@min 0 ,5
7elocidad del gas en separadores gas-li(uido G liq vap vap
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E7EMPLO, Dise*ar un separador ertical (ue tiene como o.etio separar la racci)n de apor del cloro (ue sale de un apori'ador# Las condiciones son las siguientes4 D%a5$a!a 'e* Equ%3o:
F = 9,5 t/h P = 1,5 barg T = -1 ºC !"#la $-V Cl%r%
F = 4,6 t/h T = 4 %C P = 3 barg Cl%r% ga*
V-101
F = 4,9 t/h T = 4 %C P = 3 barg Cl%r% $&'(&)%
D%se9o 'e* Se3a$a'o$, 7elocidad terminal stoGes4 L V H5 G V 0#! A G0#3! para separadores hori'ontales G0,1 para
separadores erticales 91.1 0.82 0#! 1#86 pie@s A 0.82
H5 0#1
H7 0#!H5 1#E pie@s Caudal apor4 Q7 3,62 pie3@s Dimetro del separador 4 * 3.62 0#! 1#8 pie A * 1.4
Rrea 2#!E pie2
D7
Caudal l+(uido4 QL 2#0 pie 3@min 5> !1 !min A 7> 2#0 pie3@minJ!min 10#3! pie 3
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5s 21 2minA 7s 2#02 E#1E pie 3 =lturas4 >h 10,3! pie 3@2,!E pie2 E,0 pie >s E,1E pie3@2,!E pie2 1,63 pie >LLL 1! plg 1#2! pie >L"K 12 0#32 12#32 plg con delector interno 1#03 pie >D 36 0#!0#32 36#16 plg 3#01 pies >5otal 1#2! E#0 1#63 1#03 3# 01 11 pies spesor 4 Pop E atm A Pdise*o 1,2Eatm E,8 atm 20I so.redise*o Pman dise*o !!,9
55,9 psig + 21,6 p lg+ 213800 psi +0,85+ 1,255,9 psig +
0,125 p lg 0,18 plg E,! mm
D%!ens%ones Se3a$a'o$ V.:;: Pa$8!e$o Diametro =ltura spesor carca'a ca.e'ales semies/ricos &aterial
Va*o$ 1,8 pie 11 pies E,! mm =cero al car.ono
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DISEÑO DE INTERCAMBIADORES CARCAZA = TUBO Ine$&a!0%a'o$es 'e* %3o u0o 1 &a$&a4a ste es el tipo de intercam.iador (ue se utili'a com%nmente en las reiner+as# Ko es caro, es cil de limpiar relatiamente cil de construir en dierentes tama*os puede ser dise*ado para presiones desde moderadas a altas, sin (ue ar+e sustancialmente el costo# &ecnicamente resistente para soportar las tensiones a la cual es sometido durante la etapa de a.ricaci)n, el en+o, montae e instalaci)n en sitioA los esuer'os eternos e internos en las condiciones normales de operaci)n, de.ido a los cam.ios en temperatura presi)n# :cil de mantener reparar a(uellas partes suetas a allas recuentes, tu.os empacaduras, son ciles de reempla'ar# =dicionalmente, la disponi.ilidad de .uenos procedimientos de dise*o, de eperticia de acilidades de a.ricaci)n, aseguran el dise*o construcci)n eitoso de este tipo de intercam.iadores, conirti/ndoles en la primera opci)n a seleccionarse para un proceso de transerencia de calor# l intercam.iador de tu.o carca'a consiste de un ha' de tu.os paralelos encerrados en un estuche cil+ndrico llamado carca'a# >a tres tipos .sicos de intercam.iadores de tu.o carca'a, dependiendo del m/todo utili'ado para mantener los tu.os dentro de l a carca'a# l primero es el de tipo io o %ne$&a!0%a'o$es 'e 3*a&a 'e u0os "%(a o 'e &a0e4a* "%(o- n este caso, el e(uipo tiene tu.os rectos, asegurados en am.os etremos en placas de tu.os soldados a la carca'a# n este tipo de construcci)n, algunas eces es necesario incorporar en la carca'a una unta de epansi)n o una unta de empa(ues, de.ido a la epansi)n dierencial de la carca'a los tu.os# sta epansi)n se de.e a la operaci)n del e(uipo a dierentes temperaturas a la utili'aci)n de dierentes materiales en la construcci)n# La necesidad de esta unta es determinada tanto por la magnitud de la epansi)n dierencial como del ciclo operatio esperado# Cuando no se re(uieren estas untas o empacaduras, el e(uipo orece el mimo de protecci)n contra la uga del li(uido contenido en la carca'a# l ha' de tu.os no puede ser remoido para inspecci)n limpie'a, pero el ca.e'al en el lado de los tu.os, las empacaduras, la cu.ierta del canal, etc# son accesi.les para mantenimiento reempla'o de las partes# La carca'a puede ser limpiada por retrolaado o (u+micamente# Los intercam.iadores de ca.e'al io son usados en sericios donde el luido de la carca'a es un luido limpio, como apor de agua, rerigerante, gases, cierto tipo de agua de enriamiento, etc# l segundo tipo de intercam.iadores de tu.o carca'a utili'a tu.os en orma de H, con am.os etremos de los tu.os suetados a una placa de tu.os simple, eliminndose as+ los pro.lemas de epansi)n dierencial por(ue los tu.os pueden epandirse contraerse li.remente, la orma de H a.sor.e estos cam.ios# = estas unidades se les denomina %ne$&a!0%a'o$es &on u0os en U- l ha' de tu.os puede ser remoido de la carca'a para inspecci)n limpie'aA pero la limpie'a mecnica interna de los tu.os su reempla'o es di+cil, por lo (ue este tipo de intercam.iadores es usualmente aplica.le en
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sericios limpios o cuando la limpie'a (u+mica es eectia# l costo de estas unidades a presi)n .aa es aproimadamente igual al de las unidades de ca.e'al io, pero a presi)n alta es signiicatiamente mas .arato, por lo (ue es mu usado en este tipo de aplicaci)n# l tercer tipo de intercam.iadores de tu.o carca'a, al igual (ue las unidades de ca.e'al io, presenta dos placas de tu.os, pero con solo una de ellas soldada a la carca'a la otra moi/ndose li.remente, as+ eitando los pro.lemas de epansi)n dierencial# = este dise*o se le conoce como %ne$&a!0%a'o$es 'e &a0e4a* "*oane# l ha' de tu.os de este tipo de intercam.iador puede remoerse para mantenimiento para la limpie'a mecnica de la carca'a los tu.os, tam.i/n, pueden ser limpiados mecnicamente tanto en su eterior como en su interior# l dise*o de ca.e'al lotante es mas caro apro# en un 2!I (ue el dise*o de ca.e'al io, es apropiado para sericios asociados a altas temperatura presiones, pero limitado a a(uellos sericios donde la uga del luido contenido en la carca'a es tolera.le#
Cons%'e$a&%ones 5ene$a*es %!3o$anes
Para la ecuaci)n Q H=: L&5D usar : 0,9 ms com%n La coniguraci)n de luo ms usual es de un 1 paso por carca'a dos 2 pasos por tu.os 1-2 Los tu.os ms usados son de plg 1,9 cm de dimetro eterno en un espaciado triangulas de 1 plg con 16 pies E,9 m de largo# Los intercam.iadores carca'a tu.o se usan para areas de intercam.io de calor maores de 20 m 2 Las elocidades t+picas por los tu.os son4 3 a 10 pie@s 1 a 3 m@s para l+(uidos 30 a 100 pie@s 9 a 30 m@s para gases Los luidos (ue son corrosios, sucios a altas presiones de.er+an colocarse en el lado de los tu.os# Los luidos iscosos condensantes se de.en colocar en el lado de la carca'a# Las ca+das de presi)n de.en estar en el rango de 3 a 10 psia La dierencia m+nima de temperatura para intercam.iadores de calor carca'a tu.o de.e ser de ! a 10 TC l espaciado de delectores ms usual es de 0,E M Dc M 0,6 con un corte del 2! al 3! I
Ba*an&e 'e ene$56a Para el dise*o de un intercam.iador de calor es esencial relacionar la transerencia total de calor con dierentes aria.les tales como las temperaturas de entrada salida de los luos, el coeiciente glo.al de transerencia de calor el rea total de intercam.io# n particular si m es la masa del luido caliente r+o, C p la capacidad calor+ica de los luidos Q es la transerencia total de calor entre el luido caliente el r+o, las potencias cedidas o a.sor.idas por las dos corrientes pueden calcularse mediante las siguientes ecuaciones4
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Qc mc Cp,c 5c,e N 5c,s Q m #Cp, 5,s N 5,e Siendo los su.+ndices c los correspondientes a los luidos caliente r+o respectiamente los su.+ndices e s a las secciones de entrada salida del intercam.iador respectiamente# ste .alance se puede aplicar si se considera desprecia.le la transerencia de calor entre el intercam.iador sus alrededores as+ como los cam.ios de energ+a potencial cin/tica de los luidos, no eisten cam.ios de ase de los mismos sus calores espec+icos se mantienen constantes#
Te!3e$au$a !e'%a *o5a$6!%&a 1 &oe"%&%ene 5*o0a* 'e $ans"e$en&%a 'e &a*o$ La relaci)n (ue se esta.lece entre el calor transerido la dierencia de temperaturas ha de desarrollarse en unci)n del coeiciente glo.al de transerencia de calor H el rea de intercam.io =# Sin em.argo, como la dierencia de temperatura ar+a con la posici)n en el intercam.iador es necesario tra.aar con la siguiente epresi)n4 Q H#=# L&5D Donde L&5D es la dierencia de temperatura media logar+tmica, (ue depende de la dierencia de temperatura en las regiones de entrada salida de los dos luidos4 T 1 T 2 L&5D LnT 1 / T 2 + n el caso de intercam.iadores en contraluo4 U51 5c,e N 5,s E"%&%en&%a 'e un %ne$&a!0%a'o$
U52 5c,s N 5,e
Se puede utili'ar la eiciencia de un intercam.iador como parmetro (ue mide la actuaci)n del intercam.iador en uncionamiento# La potencia mima (ue es capa' de disipar un intercam.iador se da cuando la temperatura de salida del luido r+o coincide con la entrada del luido caliente o la temperatura de entrada del luo r+o coincida con la salida del luido caliente rea de intercam.io ininita# La eiciencia (ueda deinida como la ra')n entre la transerencia real de calor la transerencia de calor mima posi.le#
q q -a
mc C p ,c T c ,e T c , s + mC p + -& T c ,e T f ,e +
m f C p , f T f ,e T f , s + mC p + -& T c ,e T f ,e +
Por otro lado se deinen los parmetros K5H n%mero de unidades transeridas Cr de la orma4
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K5H
UA
Cr
mC p + -&
mC p + -& mC p + -a
Cpmin Capacidad calor+ica de menor alor num/rico De esta manera se o.tiene4
1 ! NTU 1 C r ++
K5H -
1 C r ! NTU 1 C r ++
1
1 1
Ln C C r 1 r
Lon5%u' 'e* Ine$&a!0%a'o$ 1
Dc
1,25
Pt
15
L
1 5
Dc Dimetro de la carca'a L Longitud del intercam.iador
A$$e5*o 'e u0os do
1,5
Pt distancia entre los centros de los tu.os do dimetro eterno de los tu.os
D%8!e$o 'e *a &a$&a4a 2
Pt Ao do do Dc 0,637 L
=o Rrea re(uerida
N>!e$o 'e u0os Nt
Ao d o L
C8*&u*o 'e Coe"%&%enes G*o0a*es 'e T$ans"e$en&%a 'e Ca*o$ ?L%!3%o 1 Su&%o@ U l
d o d i hi
U s
d o d i hi
d o i d i
1 d o ld o / d i + 2k
1 d o ld o / d i + 2k
14
1 ho
o
1 ho
Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
HL Coeiciente ?lo.al de 5ranserencia de Calor Limpio HS Coeiciente ?lo.al de 5ranserencia de Calor Sucio ho Coeiciente de conecci)n eterno hi Coeiciente de conecci)n interno G coeiciente de conducci)n do dimetro eterno de carca'a di dimetro interno de carca'a
Coe"%&%ene 'e L%!3%e4a 1 Fa&o$ 'e Ensu&%a!%eno st
1 C!
1
U s C!
U s
1 U l
st
C: Coeiciente de limpie'a 0,8! alor t+pico ;st :actor de ensuciamiento total
So0$e'%se9o 'e* 8$ea S= 100 HL#;st
Ca6'a 'e P$es%)n 2 V L 2 P t 2 f V N pt " f N pt 2 D
f# N 1+ Dc
5u.os
2
P c N pc
Deq
Carca'a
actor de ricci)n de :anning Kpt Kumero de pasos por tu.os V :actor de p/rdidas 7 7elocidad por los tu.os densidad del luido Kpc Kumero de pasos por carca'a K Kumero de delectores Dc Dimetro de carca'a De( Dimetro e(uialente ? luo msico por unidad de rea
DISEÑO DE EVAPORADORES La eaporaci)n es el proceso +sico por el cual una sustancia en estado l+(uido pasa al estado gaseoso, tras ha.er ad(uirido energ+a suiciente para encer la tensi)n supericial# = dierencia de la e.ullici)n, este proceso se produce a 15
Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
cual(uier temperatura, siendo ms rpido cuanto ms eleada a(u/lla# Ko es necesario (ue toda la masa alcance el punto de e.ullici)n# Cuando eiste un espacio li.re encima de un l+(uido calentndose, una racci)n de sus mol/culas est en orma gaseosa, al e(uili.rase, la cantidad de materia gaseosa deine la presi)n de apor saturante, la cual depende de la temperatura# Si la cantidad de gas es inerior a la presi)n de apor saturante, una parte de las mol/culas pasan de la ase l+(uida a la gaseosa4 eso es la eaporaci)n# 7ista como una operaci)n unitaria, la eaporaci)n es utili'ada para eliminar el apor ormado por e.ullici)n de una soluci)n l+(uida para as+ o.tener una soluci)n concentrada# n la gran maor+a de los casos, la eaporaci)n ista como operaci)n unitaria se reiere a la eliminaci)n de agua de una soluci)n acuosa# l o.etio de la eaporaci)n es concentrar una soluci)n consistente en un soluto no oltil un solente oltil# n la maor parte de las eaporaciones, el solente es agua# La eaporaci)n se reali'a apori'ando una parte del solente para producir una soluci)n concentrada de licor espeso# La eaporaci)n diiere del secado en (ue el residuo es un l+(uido a eces altamente iscoso en e' de un s)lidoA diiere de la destilaci)n en (ue el apor es generalmente un solo componente, a%n cuando el apor sea una me'cla, en la eaporaci)n no se intenta separar el apor en raccionesA diiere de la cristali'aci)n en (ue su inter/s reside en concentrar una soluci)n no en ormar cristales# n la rontera entre eaporaci)n cristali'aci)n dista mucho de ser n+tida# La eaporaci)n produce a eces una suspensi)n de cristales en un licor madre saturado# n la eaporaci)n por lo general, el producto alioso es el l+(uido concentrado licor espeso mientras (ue el apor se condensa se desecha# Sin em.argo, en un caso espec+ico es pro.a.le (ue ocurra lo contrario# l agua mineral se eapora con recuencia a in de o.tener un producto eento de s)lidos para la alimentaci)n de calderas, para procesos con re(uerimientos especiales o para el consumo humano# sta t/cnica se conoce con recuencia con el nom.re de destilaci)n de agua, pero t/cnicamente es eaporaci)n# Se han desarrollado procesos de eaporaci)n a gran escala (ue se utili'an para la recuperaci)n de agua pota.le a partir de agua de mar# n este caso, el agua condensada es el producto deseado# S)lo se recupera una racci)n del agua total contenida en la alimentaci)n, mientras (ue el resto se deuele al mar#
Ca$a&e$6s%&as 'e* *6qu%'o a e2a3o$a$ Concentraci)n4 aun(ue la soluci)n de alimentaci)n (ue entra como licor a un eaporador puede estar suicientemente diluida teniendo muchas de las propiedades +sicas del agua, a medida (ue aumenta la concentraci)n la soluci)n ad(uiere cada e' un carcter ms indiidualista# La densidad la iscosidad aumentan con el contenido de s)lidos hasta (ue la soluci)n se transorma en saturada o el licor se uele demasiado iscoso para una transerencia de calor adecuada# La e.ullici)n continuada de una soluci)n saturada da lugar a la ormaci)n de cristales, (ue es preciso separar, pues de lo contrario, los tu.os se o.struen# La temperatura de e.ullici)n de la soluci)n
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
puede tam.i/n aumentar en orma considera.le al aumentar el contenido de s)lidos, de modo (ue la temperatura de e.ullici)n de una soluci)n concentrada puede ser mucho maor (ue la del agua a la misma presi)n# :ormaci)n de espuma4 algunos materiales, en especial las sustancias orgnicas, orman espuma durante la apori'aci)n# Hna espuma esta.le acompa*a al apor (ue sale del eaporador, causando un uerte arrastre# Sensi.ilidad a la temperatura4 muchos productos (u+micos inos, productos armac/uticos alimentos se deterioran cuando se calientan a temperaturas moderadas durante tiempos relatiamente cortos# n la concentraci)n de estos materiales se necesitan t/cnicas especiales para reducir tanto la temperatura del l+(uido como el tiempo de calentamiento# "ncrustaciones4 algunas soluciones depositan costras so.re la supericie de calentamiento# n estos casos, el coeiciente glo.al disminue progresiamente hasta (ue llega un momento en (ue es preciso interrumpir la operaci)n del eaporador limpiar los tu.os# &ateriales de construcci)n4 siempre (ue es posi.le, los eaporadores se construen con alg%n tipo de acero# Sin em.argo, muchas soluciones atacan a los metales errosos se produce contaminaci)n# n estos casos se utili'an materiales especiales tales como co.re, n+(uel, acero inoida.le, aluminio, graito plomo# De.ido a (ue los materiales son caros, resulta especialmente desea.le o.tener eleadas elocidades de transerencia de calor con el in de minimi'ar los costos del e(uipo# Hn eaporador es un intercam.iador de calor entre luidos, de modo (ue mientras uno de ellos se enr+a, disminuendo su temperatura, el otro se calienta aumentando su temperatura, pasando de su estado l+(uido original a estado apor ca.iendo la posi.ilidad de un calentamiento ulterior, con lo (ue se dice (ue alcan'a el estado de apor so.recalentado# = in de cuentas un eaporador, es un intercam.iador de calor ms compleo, en el (ue adems de producirse el cam.io de ase pueden darse otros en)menos asociados a la concentraci)n de la disoluci)n, como la ormaci)n de s)lidos, la descomposici)n de sustancias# Los eaporadores se a.rican en mu diersos tama*os con distintas disposiciones, siendo prousamente empleados en gran cantidad de procesos t/rmicos# Los eaporadores, de.en uncionar siempre a ac+o parcial, pues esta medida reduce la temperatura de e.ullici)n en la cmara de eaporaci)n# g 1,93 l.$pulg2# l coeiciente glo.al se estima (ue ser 2!0 Btu@pieW-h-O: 1E00 X@mW-g se o.tiene como sigue# 5emperatura de e.ullici)n del agua a 100 mm >g 12E O: 5emperatura de e.ullici)n de la disoluci)n 19 O: leaci)n del punto de e.ullici)n 19 - 12E 3 O: Las entalp+as de la alimentaci)n de la disoluci)n concentrada se o.tienen a partir de la :igura4
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
=limentaci)n, 20 I de s)lidos, 100 O:4 HJ !! Btu@l. Disoluci)n concentrada, !0 I de s)lidos, 19 O:4 H 221 Btu@l. La entalp+a del apor (ue a.andona el eaporador se o.tiene a partir de las ta.las del apor de agua# La entalp+a del apor de agua so.recalentado a 19 O: 1,93 1.$pulgW es 11E9 Btu@l., (ue es H, en la cuaci)n# l calor de apori'aci)n del apor de agua 1, a una presi)n manom/trica de 20 l.@@pulgW, es 939 Btu@l.# La elocidad de transmisi)n de calor el consumo de apor de agua pueden o.tenerse ahora a partir de la cuaci)n 4 ( 20 000 - 800011E9 8000 221 - 20000 !! 1E E!6 000 B5H@h m s
14456000 939
1! E00 l.@h 6990 Gg@h
Economía. La econom+a es 12000@1!E00 0,8# Superficie de calefacción. La temperatura de condensaci)n del apor de
agua es 2!9 O:# l rea de caleacci)n re(uerida es A
14456000
930 pie2 86,E m2 250 259 197 +
Si la entalp+a del apor H, estuiese .asada en el apor saturado a la presi)n del espacio de apor en e' del apor so.recalentado, la elocidad de transmisi)n de calor ser+a 1E#036#000 Btu@h E11!, GX el rea de caleacci)n ser+a 906 pie 2 8E,2 m2# Por tanto, la aproimaci)n introduce un error de solamente un 3 por 100#
DISEÑO DE ORNOS DE PROCESO
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
stn deinidos como e(uipos donde se genera calor (ue se o.tiene de la com.usti)n de com.usti.les, generalmente l+(uidos o gaseosos con el o+geno del aire# Hsualmente se suministra un m+nimo de aire en eceso# n el horno, los gases (ue resultan de la com.usti)n ocupan la maor parte del olumen de calentamiento# l horno contiene una o arias cmaras ormadas por una serie de tu.er+as o serpentines por cuo interior circula el luido (ue se desea calentar con el calor (ue genera la com.usti)n#
En$e *as se&&%ones 'e *os /o$nos es8n *as s%5u%enes, Se&&%)n 'e Con2e&&%)n, es la secci)n por donde entra la carga a los hornos el calor se transiere por conecci)n con los gases de la com.usti)n, se utili'a para precalentar el luido (ue entra el horno# sta transerencia se da entre una supericie s)lida un l+(uido o un gas# Se&&%)n 'e Ra'%a&%)n, en esta secci)n, el calor se transiere tanto por radiaci)n en orma de ondas electromagn/ticas con la llama de los (uemadores como por conecci)n# sta secci)n se utili'a para llear la temperatura del luido (ue se calienta al alor deseado#
s importante resaltar (ue la dierencia .sica entre un horno con otra clase de intercam.iadores de calor es (ue el horno posee e(uipos de uego en su interior, las otras clases de intercam.iadores, no lo poseen# La unci)n principal de un horno es generar una cantidad espec+ica de calor a temperaturas relatiamente aprecia.les# ste calor es luego transerido a un luido sin producir so.recalentamiento de las partes (ue integran el horno#
C*as%"%&a&%)n 'e *os o$nos:-. Se5>n su u%*%'a',
o$no Re/e$2%'o$ 'e Co*u!na, su inalidad es eaporar parcialmente el olumen de carga etra+do de una columna de destilaci)n# ?eneralmente , /ste reheridor, est compuesto de tres corrientes4 a-. Hna (ue llea el luido l+(uido de la columna al reheridor# 0-- n *a o$%ena&%)n 'e* Se$3en6n en *a Se&&%)n Ra'%ane o$nos Ve$%&a*es, en este tipo de horno, los tu.os del serpent+n de la secci)n radiante estn colocados erticalmente# Los hornos erticales se clasiican en4 a-. >orno de ;adiaci)n 5otal Coniguraci)n 7ertical Cil+ndrica# 0-. >orno de Serpent+n >elicoidal Coniguraci)n 7ertical-Cil+ndrica# &-- >orno con Conecci)n de :luo Cru'ado Coniguraci)n 7ertical Cil+ndrica# '-- >orno de Secci)n "ntegral por Conecci)n Coniguraci)n 7ertical Cil+ndrica# e-- >orno con Serpent+n ;adiante en orma de H# "-- >orno de do.le encendido Serpent+n 7ertical#
o$nos o$%4ona*es, en los hornos hori'ontales# Los tu.os del serpent+n de la secci)n radiante estn colocados hori'ontalmente# Los hornos hori'ontales es clasiican en4 a-- >orno tipo Ca.ina Coniguraci)n >ori'ontal# 0-. >orno tipo Ca.ina dos celdas Coniguraci)n >ori'ontal# &-- >orno tipo ca.ina con Pared Diisoria Coniguraci)n >ori'ontal# '-- >orno con Quemador en la Pared posterior de Cmara de Com.usti)n Coniguraci)n >ori'ontal# e-- >orno con Quemador en la Pared posterior de la Cmara de Com.usti)n Secci)n por Conecci)n Lateral# "-- >orno de Do.le ncendido Coniguraci)n >ori'ontal#
SECCION DE RADIACION 21
Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
a 5ama*o de tu.os n%mero de pasos4 Siempre (ue sea posi.le, los dimetros de los tu.os de.en ser seleccionados del tama*o de tu.os nominales estndar "PS, en el rango de ! a 20 cm 2 a 8 pulg# De.ido a (ue la carga del horno, Gg@s l.@s es determinada por los re(uerimientos del proceso, la secci)n transersal interna del rea total del tu.o re(uerida es determinada diidiendo la carga por la elocidad msica# sta rea de la secci)n transersal determina el dimetro interno de los tu.os el n%mero de pasos paralelos a tra/s de la secci)n de radiaci)n usualmente a tra/s de la secci)n de conecci)n4
. Disposici)n de la secci)n de radiaci)n4 l siguiente criterio general de distri.uci)n de.e ser usado en todas las coniguraciones de hornos4
:- l espacio entre el centro de los tu.os de radiaci)n de.e ser 2 eces el dimetro nominal, codos de cura cerrada en H Short radius HN.end# - Los tu.os de radiaci)n adacentes a la pared de.en estar u.icados a una distancia de 1#! eces el dimetro nominal aleado de la pared# - Los tu.os de las es(uinas en la secci)n de radiaci)n de.en ser u.icadas de tal manera de eitar 'onas muertas a (ue estos tu.os reci.en menos calor (ue la cantidad promedio#
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
- Para asegurar una isi.ilidad adecuada desde las puertas de o.seraci)n de la secci)n de radiaci)n, el espacio entre tu.os a estas puertas de.e ser 3 eces el dimetro nominal Long radius HN.end# # Se de.e mantener compati.ilidad entre la distri.uci)n de tu.er+a a la entrada la recolecci)n de tu.er+a a la salida cuando se est/ colocando el arreglo de los tu.os# Las longitudes mimas para secciones de conecci)n o para secciones de radiaci)n hori'ontales, de.en ser limitadas a 30 m, 100 pie de.ido a la diicultad de su maneo# Por otro lado, las longitudes mimas de tu.os erticales de.en ser limitadas a 1! m, !0 pie o ms pe(ue*os de.ido a la ecesia mala distri.uci)n del calor de entrada en tu.os largo#
Ca6'as 'e P$es%)n
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
SECCION DE CONVECCION A$$e5*o 1 es3a&%a!%eno 'e *os u0os =un(ue los tu.os de la secci)n de conecci)n pueden ser situados en orma triangular o rectangular, siempre se usan ormas de tringulos e(uilteros o is)sceles para las secciones de conecci)n de hornos# Coeicientes de transerencia de calor para tu.os lisos en orma triangular han sido incluidos con las ecuaciones de transerencia de calor de.ido a (ue la orma triangular es ms com%n para calderas#
Ve*o&%'a' !8s%&a 'e *os 5ases 'e &o!0us%)n
DISEÑO DE CIMENEA C/%!eneas so3o$a'as 3o$ e* sue*o Las chimeneas por de.ao de una altura de 6 m 2!0 pie son hechas de acero, las maores de 6 m 2!0 pie son de concreto# C/%!eneas so3o$a'as 3o$ /o$nos stas siempre son de acero# La altura mima econ)mica para estas chimeneas es de E! a 60 m 1!0 a 200 pie por encima del piso# Para alturas maores de 60 m 200 pie se de.e especiicar una chimenea soportada por el piso# l dimetro es una unci)n de la cantidad de luo de gas de com.usti)n# Las chimeneas de.en ser dise*adas para una elocidad de #6 m@s 2! pie@s# Cuando los gases de com.usti)n pasan directamente a la chimenea, el dimetro no de.e ser maor (ue la anchura eterna alrededor de 300 mm 12 pulg maor (ue la anchura interna de la secci)n de conecci)n#
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
MULTIPLES = LINEAS DE TRANSFERENCIA Los m%ltiples son utili'ados para distri.uir recolectar luidos de los dierentes pasos de los hornos# stos m%ltiples de.en estar dise*ados para alcan'ar una distri.uci)n uniorme del luo en todos los pasos del horno# Hna mala distri.uci)n del luo por los pasos del horno puede causar (ue algunos de ellos se (ueden sin luo, resultando en so.recalentamiento (uema de los tu.os#
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
DISEÑO DE CALDERAS PIROTUBULARES Va%r *at= 15t/h P = 15 barg T = 202 %C
Caldera Generadora de Vapor (SG-401)
(%* = 12000 3/h P = 0,01 barg T = 262 %C
F(!l&l = 0,944 t/h P = 1 barg T = 35 %C
&r! = 122653/h T = 28 %C P = 1 barg
g(a = 15 t/h P = 1 barg T = 60 %C
Cantidad de apor saturado a generar4 1,E 1030 Vg# @h 1!000 Vg@h asumiendo E0I so.redise*o Condiciones del apor saturado a generar4 202 oC 16 .ar
Tu0o o5a$ Para calcular las dimensiones del tu.o hogar es necesario determinar las dimensiones de la llama, producida por la com.usti)n com.usti.le l+(uido, (ue en este caso de trata de uel oil, cuas caracter+sticas se muestran en la siguiente ta.la ,
Co!0us%0*e Fue*.o%* Poder calor+ico 9600 inerior Componente Car.ono >idr)geno ='ure
Vcal#@Vg# I peso 86#33 13#!8 0#09
Ba*an&e 'e ene$56a
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
- C Ts T! 16bar
Donde4 Q4 Calor suministrado por la caldera m4 &asa de apor producido por la caldera Cp4 Poder calor+ico del agua a presi)n constante# 5e4 5emperatura del l+(uido saturado a la caldera# 5s4 5emperatura de salida del apor de la caldera 16 .ar# 4 Calor latente de apori'aci)n a 16 .ar# "g $ 15000 1 "cal 202º C 60º C 462 "cal 9060000 "cal h "g º C "g h
Reque$%!%enos 'e &o!0us%0*e Conocido el calor necesario, (ue de.e suministrarse al l+(uido saturado (ue se alimenta a la caldera para llearlo al estado de apor saturado, se determina la cantidad de com.usti.le B uel-oil a ser (uemado#
&
$ PC% C'(&UST%&L E
9060000 "cal h 9600 "cal "g
944 "g / h
D%!ens%ones 'e* u0o /o5a$, Con la masa de com.usti.le, se determinan las dimensiones de la llama, sustituendo4 D 0.17 944 L 0.2 944
1
2
2
7
1,2m
6,14m
Ca$5a 1 'ens%'a' Es3e&6"%&a La carga espec+ica la densidad espec+ica se calculan en unci)n de las dimensiones de la llama, seg%n las ecuaciones4 Carga especiica
4Q
D L
Densidad especiica
2
4Q
D
2
12E6260#91 Vcal
h m3
1009!86#3 Vcal
Se eriica (ue4 Carga espec+ica 1290000 Vcal
h m3
Densidad spec+ica 200000 Vcal
h m2
27
h m2
Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
So0$e'%se9o 'e *as '%!ens%ones 'e* u0o /o5a$, D 1,2 m L6,! m C8*&u*o 'e *a su3e$"%&%e 'e Ra'%a&%)n, Se supone cmara h%meda la supericie de radiaci)n se o.tiene por la siguiente ecuaci)n4 2 2 A D L D / 4 25,63m
C8*&u*o 'e *a e!3e$au$a a* "%na* 'e* /o5a$, t; t t;
Qt
= ;
273 t C 100
4
Donde4 C E#1 para uel oil t; 2000F C Para uel oil# Despeando4 t 1121 oC
Vo*u!en 'e 5ases que sa*en 'e *a &a*'e$a, Para o.tener el olumen de gases (ue se producen por la com.usti)n del uel oil, se asume un eceso de aire de 20I se lee en Y18Z, esta magnitud es igual a 12,688 m3@Vg# Ca*o$ a0so$0%'o 3o$ $a'%a&%)n en e* /o5a$, Q; B PC" Q:>
Donde
Q:> es
el calor al inal del hogar se calcula por la siguiente ecuaci)n4
$ !) & V ) T #) C P
Donde4 5 es la temperatura de los gases de salida (ue se puede aproimar a la temperatura al inal del hogar, (ue a ha sido preiamente calculada# ?>
CP es el poder calor+ico a olumen constante para el com.usti.le# Para el uel 0#6 m D & 0.5 * D ) 0,6m
= continuaci)n se encuentra un es(uema de la parte trasera del hogar, (ue audar a identiicar las dierentes supericies (ue conorman esta parte de la caldera#
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
5
7
1
Tubo hogar
2
Envolvente c. hogar
3
Placa tubular c. hogar
4
Placa trasera c. hogar
5
Placa trasera caldera
6
Boca trasera c. hogar
7
Haz tubular
6
1
4
3
2
:igura OCmara trasera de la caldera pirotu.ular
En2o*2ene 'e &8!a$a 'e /o5a$ S1 DC> L 3,3 m2
P*a&a $ase$a S2
2 C
2
4
2,128 m2
P*a&a u0u*a$ S3
4
C 2 2
T 4
) T 2 0,33 m2
Donde4 DC>4 Dimetro interior de la cmara del hogar DB4 Dimetro eterior de la .oca de acceso . D>4 Dimetro eterior del tu.o del hogar# L4 Longitud interior de la cmara del hogar# K54 K%mero de tu.os del primer ha' tu.ular# 120 d54 Dimetro eterno de los tu.os 0,062m 3O# S T S 1 S 2 S 3 6,16 m2
Coe"%&%ene 5*o0a* 'e $ans"e$en&%a 'e &a*o$ en *a 4ona, La transerencia de calor en esta 'ona se reali'a por conecci)n radiaci)n, por lo (ue el coeiciente glo.al ser4 V V C!e$o 'e u0os 'e* se5un'o /a4 u0u*a$, Nt 2
S 2 )T dt LC
6E
l n%mero de tu.os calculado, se aproima al n%mero de tu.os supuesto# Se asume (ue los tu.os en eceso E tu.os estn incluidos en el so.redise*o de la caldera#
Su3e$"%&%e oa* 'e &a*e"a&&%)n La sumatoria de todas las supericies de la caldera, arroa como resultado la supericie total de caleacci)n4
34
Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
SC
:T :C :1T :2T
Donde4 : T ; Rrea de radiaci)n S5> 2!,63 m2 SC> Supericie de la cmara hogar SC> S1 S2 S3 SC> 6,16m S1>5186, m2 S2>599,! m2 2
S C 318 m 2
D%!ens%ona'o 'e *a Ca*'e$a Dimetro interior del tu.o hogar 1,2 m Longitud del tu.o hogar 6,! m =4 spacio entre uni)n del tu.o hogar la soldadura entre placa @ enolente de la cmara = E0 mm B4 spacio li.re entre tu.os hogar ha' tu.ular B 0,0!D 0,0!1,!2 m 8,6 mm C4 spacio entre el inal del ha' tu.ular la soldadura entre placa @ enolente de la cmara trasera de hogar4 C A
Dt 2
C8,1 mm Paso entre los tu.os4 t 0.125 D 12.5 22 mm D4 spacio li.re entre cmara hogar enolente D 100mm 4 spacio li.re entre cmara hogar ha' tu.ular !0mm ?4 spacio li.re entre ha' tu.ular dimetro interior de la enolente ? ? 8,1 mm# l4 =ltura del agua a niel medio so.re 'ona ms alta de la supericie de caleacci)n l 0mm# =rreglo de los tu.os4 empleando un arreglo del tipo 5riangular Longitud interna de la caldera LC L LC) e1 e 2 (
Donde4 L4 Longitud del tu.o hogar 6,! m LC> 4 Longitud interior de la cmara hogar0#6 m 35
Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
4 spesor de la placa tu.ular de la cmara hogar 0,01m e : spesor de la placa trasera 0,01m &4 spesor de agua entre la cmara trasera la placa hogar & 0,2 m e
1
2
Lc,32 m l arreglo de la caldera, sus dimensiones se muestran en la siguiente igura4 8,1mm 8,6mm
E0mm 1200mm 1!2mm :igura O7ista trasera de las Dimensiones de la caldera
A*u$a 'e *a &/%!enea 1 &a6'a 'e 3$es%)n en *a se&&%)n 'e &on2e&&%)n n primer lugar se calcula el tiro por 100 pies de altura de la chimenea# La temperatura a la cual es permitido li.erar los gases de chimenea al aire es 100F: con la temperatura de los gases al inal del segundo ha' tu.ular !0E o :, mediante la reerencia4 t / 100 0,61
pu lg ) 2 '
100 pie altura
Se toma el alor de altura de los tu.os por arri.a de los (uemadores 6 pies# Tiro
0,61 6 100
0,0366 pu lg ) 2'
Hn alor t+pico para la ca+da de presi)n a tra/s de los (uemadores es 0,2! pulg de >22< Se calcula la altura de la chimenea por arri.a del %ltimo ha' de tu.os de la caldera4 t LC) T 100 t C) 0,5548 100 107 pies 32m 0,52
LC)
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
DISEÑO DE TORRES DE ABSORCION La a.sorci)n de gases en una operaci)n en la cual una me'cla gaseosa se# Pone en contacto con un l+(uido, a in de disoler de manera selectia uno o ms componentes de gas de o.tener una soluci)n de /stos en el l+(uido# Por eemplo, el gas o.tenido como su.producto en los hornos de co(ue, se laa con agua para eliminar el amoniacoA despu/s se laa con un aceite para eliminar los apores de .enceno de tolueno# Para (ue el molesto suluro de hidr)geno sea eliminado de un gas de este tipo o de hidrocar.uros gaseosos naturales, el gas o los hidrocar.uros se laan con dierentes soluciones alcalinas (ue a.sor.en a dicho suluro# Los aliosos apores de un disolente, acarreados por una corriente gaseosa pueden recuperarse luego ser reutili'adosA .asta laar el gas con un disolente adecuado a los apores# stas operaciones re(uieren la transerencia de masa de una sustancia en la corriente gaseosa al l+(uido# Cuando la transerencia de masa sucede en la direcci)n opuesta, es decir, de l+(uido a gas, la operaci)n se conoce como 'eso$&%)n- Por eemplo, el .enceno el tolueno se eliminan del aceite (ue se mencion) antes en contacto la soluci)n l+(uida con apor, de tal orma (ue los apores entran en la corriente gaseosa con arrastradosA en consecuencia, el aceite de a.sorci)n puede utili'arse nueamente# Los principios de la a.sorci)n la desorci)n son .sicamente los mismos, as+ (ue las dos operaciones pueden estudiarse al mismo tiempo# ?eneralmente, estas operaciones s)lo se utili'an para la recuperaci)n o eliminaci)n del soluto# Hna .uena separaci)n de solutos entre s+, eige t/cnicas de destilaci)n raccionada#
E*e&&%)n 'e* '%so*2ene 3a$a *a a0so$&%)n Si el prop)sito principal de la operaci)n de a.sorci)n es producir una soluci)n espec+ica como ocurre, por eemplo, en la a.ricaci)n de cido clorh+drico, el disolente es espec+ico por la naturale'a del producto# Si el prop)sito principal es eliminar alg%n componente del gas# Casi siempre eiste la posi.ilidad de elecci)n# Por supuesto, el agua es el disolente ms .arato ms completo, pero de.e darse considera.le importancia a las siguientes propiedades4 :- So*u0%*%'a' 'e* 5as- La solu.ilidad del gas de.e ser eleada, a in de aumentar la rapide' de la a.sorci)n disminuir la cantidad re(uerida de disolente# n general, los disolentes de naturale'a (u+mica similar a la del soluto (ue se a a a.sor.er proporcionan una .uena solu.ilidad# =s+, se utili'an aceites hidrocar.onados, no agua, para eliminar el .enceno del gas producido en los hornos de co(ue# Para los casos en (ue son ideales las soluciones ormadas, la solu.ilidad del gas es la misma, en racciones mol, para todos los disolentes# Sin em.argo, es maor, en racciones peso, para los disolentes de .ao peso molecular de.en utili'arse pesos menores de estos disolentes, medidos en li.ras# Con recuencia, la reacci)n (u+mica del disolente con el soluto produce una solu.ilidad eleada del gasA empero# Si se (uiere recuperar el disolente para olerlo a utili'ar, la reacci)n de.e ser reersi.le# Por eemplo, el suluro de hidr)geno puede eliminarse de me'clas gaseosas utili'ando soluciones de etanolamina, puesto (ue el suluro se a.sor.e cilmente a temperaturas
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
.aas se desor.e a temperaturas eleadas# La sosa custica a.sor.e perectamente al suluro de hidr)geno, pero no lo elimina durante una operaci)n de desorci)n#
- Vo*a%*%'a'- l disolente de.e tener una presi)n .aa de apor, puesto (ue el gas saliente en una operaci)n de a.sorci)n generalmente est saturado con el disolente en consecuencia, puede perderse una gran cantidad, si es necesario, puede utili'arse un l+(uido menos oltil para recuperar la parte eaporada del primer disolente, como en la igura 30# sto se hace algunas eces, pos eemplo, en el caso a.sor.edores de hidrocar.uros, en donde un aceite disolente relatiamente oltil se utili'a en la parte principal del a.sor.edor de.ido a las caracter+sticas superiores de solu.ilidad donde el disolente olatili'ado se reco.ra del gas mediante un aceite no oltil# n la misma orma, se puede a.sor.er el suluro de hidr)geno en una soluci)n acuosa de enolato de sodioA el gas desulurado se laa posteriormente con agua para recuperar el enol eaporado# - Co$$os%)n- Los materiales de construcci)n (ue se necesitan para el e(uipo no de.en ser raros o costoso# - Coso- l disolente de.e ser .arato, de orma (ue las p/rdidas no sean costosas, de.e o.tenerse cilmente# - V%s&os%'a'- Se preiere la iscosidad .aa de.ido a la rapide' en la a.sorci)n, meores caracter+sticas en la inundaci)n de las torres de a.sorci)n, .aas ca+das de presi)n en el .om.eo .uenas caracter+sticas de transerencia de calor# J- M%s&e*8neos- Si es posi.le, el disolente no de.e ser t)ico, ni inlama.le, de.e ser esta.le (u+micamente tener un punto .ao de congelamiento E7EMPLO, = una columna de a.sorci)n entran E0 m 3 @ h de una me'cla gaseosa de composici)n 3!I en olumen de amon+aco 6!I en olumen de aire# La a.sorci)n se eriica en contracorriente con agua (ue contiene el 2I en peso de amon+aco, a 20FC a 1 atm, se ha de recuperar el 90FI del amon+aco contenido en la me'cla gaseosa# Calculese la cantidad m+nima necesaria de agua# So*u&%)n, Calculamos, en primer lugar, las concentraciones en racciones molares correspondientes a las condiciones de e(uili.rio a partir de los datos Gilogramos de amon+aco @ 100 Gg de agua a la presi)n parcial del amon+aco en la ase gaseosa a 20FC# Para el primer punto dado en la ta.la siguiente, los clculos sern4 \ \
C < :L C < :L
H :
H
:;; < :K
0,020A
;+;C;L D ;+;C;LD
0,0211
12,0 @ 60 0,01!
41
;+;:FLK :
;+;:FLK
0,0160
Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
Los datos restante se calculan de modo anlogo se resumen a continuaci)n4
5NK 2<
Ca*&u*o 'e *a 3oen&%a 'e* 2en%*a'o$ P
0,22856 +#+ P+Vh Ev
rendimiento del entilador 0,6 60I 7h olumen h%medo del gas en la parte superior 1,0E26 m 3@Vg as P ca+da de presi)n del empa(ue 0,!18 cm> 2< ? luo de gas 820#911,2! Vg@h Sustituendo calculando
P 1#08#E26,2 V` 1#E!8#262,3! >p
DISEÑO DE COLUMNAS DE DESTILACIN
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
La destilaci)n es un proceso de separaci)n en el cual un l+(uido se conierte en apor, este apor se condensa mas tarde a l+(uido# = este l+(uido de condensaci)n se le da el nom.re de destilado, en tanto (ue el l+(uido (ue se eapora es la carga o destilando# La destilaci)n es pues, una operaci)n unitaria producto de la com.inaci)n de la eaporaci)n la condensaci)n# l in principal de la destilaci)n es la separaci)n de los componentes oltiles de los no oltiles, o la separaci)n de una me'cla con componentes de dierente olatilidad# La separaci)n de los dos componentes l+(uidos s)lo es posi.le cuando la composici)n del apor es dierente a la del l+(uido (ue lo produce, la separaci)n ser tanto ms cil cuanto maor sea la dierencia entre la composici)n del apor la del l+(uido, aun(ue prcticamente pueden llearse a ca.o separaciones incluso cuando la dierencia sea pe(ue*a# l dise*o de un e(uipo de destilaci)n se .asa corrientemente en las composiciones del l+(uido el apor# Los datos de e(uili.rio l+(uido-apor necesarios para el tra.ao de destilaci)n se o.tienen eperimentalmente, o se calculan por relaciones isico(u+micas# Para o.tener los datos eperimentales es necesario hacer (ue el l+(uido el apor est/n en e(uili.rio entre s+# = continuaci)n se toman muestras de uno otro sin modiicar el e(uili.rio se anali'a cada ase, estos datos son la.oriosos di+ciles de o.tener, por lo (ue la cantidad de datos eactos disponi.les es mu limitada# La destilaci)n raccionada es una ariante de la destilaci)n simple (ue se emplea principalmente cuando es necesario separar l+(uidos con punto de e.ullici)n cercanos# La principal dierencia (ue tiene con la destilaci)n simple es el uso de una columna de raccionamiento# sta permite un maor contacto entre los apores (ue ascienden con el l+(uido condensado (ue desciende, por la utili'aci)n de dierentes bplatosb# sto acilita el intercam.io de calor entre los apores (ue ceden los l+(uidos (ue reci.en# se intercam.io produce un intercam.io de masa, donde los l+(uidos con menor punto de e.ullici)n se conierten en apor, los apores con maor punto de e.ullici)n pasan al estado l+(uido# La destilaci)n continua, se .asa en la alimentaci)n regula.le en continuo de la me'cla a separar, introduci/ndola en una columna o torre de destilaci)n, donde se separan los componentes de una me'cla de orma continua en las distintas racciones, saliendo por la parte superior o ca.e'a la racci)n ms ligera o de menor punto de e.ullici)n, por el ondo la racci)n ms pesada a dierentes alturas de la columna, las distintas racciones (ue se (uieren o.tener dependiendo de su punto de e.ullici)n# Hn eemplo de destilaci)n continua, raccionada, ser+a la destilaci)n atmos/rica del petr)leo# n una instalaci)n de destilaci)n continua las composiciones de los productos separados permanecen constantes en cada secci)n de la columna, para lo cual se utili'an unas corrientes (ue se denominan reluos, (ue son recirculaciones de las propias etracciones, aproechando las eaporaciones condensaciones sucesias de las etracciones, o.teniendo productos destilados de caracter+sticas deinidas preiamente#
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
Hn grupo de operaciones para la separaci)n de componentes de me'cla est .asado en la transerencia de materia desde una ase homog/nea a otra# Contrariamente a las separaciones mecnicas, estos m/todos utili'an dierencias en la presi)n de apor o la solu.ilidad, en e' del tama*o o la densidad de las part+culas# La uer'a impulsora para la transerencia es una dierencia de concentraci)n o un gradiente de concentraci)n, de la misma orma (ue una dierencia de temperatura o un gradiente de temperatura, constitue la uer'a impulsora de para la transmisi)n de calor# l o.eto de la destilaci)n es separar, mediante apori'aci)n, una me'cla l+(uida de sustancias misci.les oltiles en los componentes indiiduales o, en algunos casos, en grupos de componentes# La separaci)n de una me'cla de alcohol agua en sus componentesA de aire li(uido en nitr)geno, oigeno arg)nA un crudo de petr)leo en gasolina, (ueroseno, uel oil aceites lu.ricantes, son eemplos de destilaci)n# La 'es%*a&%)n '%s&on%nua o por lotes, es un proceso de separaci)n de una cantidad espec+ica carga de una me'cla l+(uida en productos, se emplea ampliamente en la.oratorios, en las unidades pe(ue*as de producci)n, donde la misma unidad puede tener (ue serir para muchas me'clas# n algunas plantas pe(ue*as, los productos oltiles se recuperan a partir de una soluci)n l+(uida por destilaci)n discontinua# La me'cla se carga en un destilador o heridor se le suministra calor por medio de un serpent+n o a tra/s de la pared del recipiente hasta (ue el l+(uido alcan'a la temperatura de e.ullici)n se apori'a entonces una parte de la carga# n el m/todo ms sencillo de operaci)n, los apores pasan directamente desde un destilador hasta el condensador# l apor (ue en un determinado momento sale del destilador est en e(uili.rio con el l+(uido eistente en el mismo, pero como el apor es ms rico en el componente ms oltil, las composiciones del l+(uido el apor no son constantes#
Des%*a&%)n a* 2a&6o &uchas sustancias no pueden puriicarse por destilaci)n a la presi)n ordinaria, por (ue se descomponen a temperaturas cercanas a su punto de e.ullici)n normal, en otros casos la destilaci)n re(uiere de inmensas inersiones o utili'aci)n de energ+a en gran cantidad, o inalmente poseen pro.lemas de e(uili.rio li(uido-apor, en consecuencia se emplea el m/todo de destilaci)n al ac+o o a presi)n reducida# Sa.emos (ue un l+(uido empie'a a herir cuando su presi)n de apor iguala a la presi)n atmos/rica o de operaci)n, por lo tanto si reducimos la presi)n de operaci)n tendremos la e.ullici)n a temperaturas .aas, esta no inclue a la destilaci)n raccionada#
Des%*a&%)n 3o$ a$$as$e 'e 2a3o$ s una t/cnica (ue sire undamentalmente para separar sustancias insolu.les en agua literalmente oltiles, de otros productos no oltiles me'clados con ellas# ste m/todo es un .uen sustituto de la destilaci)n al ac+o, tiene algunas entaas, a (ue la destilaci)n se reali'a a temperaturas .aas#
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l comportamiento de la destilaci)n de un sistema de dos ases inmisci.les, donde cada l+(uido eerce su propia presi)n de apor la suma de am.as es de la presi)n de operaci)n, son independientes de las cantidades relatias de la me'cla# stos hechos constituen la .ase para la puriicaci)n de sustancias por el arrastre de una corriente de apor# isten arios compuestos orgnicos de punto de e.ullici)n relatiamente alto (ue con agua co-destilan en una cantidad en peso lo suicientemente grande para ser destilados con cierta rapide' por de.ao del punto de e.ullici)n del agua# sto se de.e a sus pesos moleculares relatiamente eleados comparados con las del agua#
E*e&&%)n en$e 3*aos o e!3aques La elecci)n entre columnas de platos o empa(ues para una aplicaci)n particular puede ser hecha solamente en .ase a los costos para cada dise*o# Sin em.argo, esto no siempre ser posi.le, o necesario, la elecci)n puede usualmente hacerse, so.re la .ase de la eperiencia mediante la consideraci)n de las principales entaas o desentaas de cada tipo, las cuales son listadas a continuaci)n4 1# Las columnas de platos pueden ser dise*adas para manipular un amplio rango de elocidades de luo de gases l+(uidos antes (ue las columnas empacadas# 2# Las columnas empacadas no son conenientes para elocidades de l+(uido mu .aas# 3# La eiciencia de un plato puede predecirse con maor certidum.re antes (ue el t/rmino e(uialente para empa(ues Altura equialente a un plato teórico!
E# Las columnas de platos pueden dise*arse con maor seguridad (ue las columnas empacadas# Siempre ha alguna duda de poder mantener una .uena distri.uci)n de l+(uido a tra/s de una columna empacada .ao las condiciones de operaci)n, particularmente en columnas grandes# !# s cil hacer preisiones para enriamiento en una columna de platosA los enriadores pueden instalarse en los platos# 6# n columnas de platos es cil hacer preisiones para salida de corrientes laterales# # Si el l+(uido causa incrustaciones, o contiene s)lidos, en columnas de platos es cil hacer preisiones para la limpie'a# Con pe(ue*os dimetros de columna, puede ser ms econ)mico usar empa(ues reempla'arlos cuando se han ormado incrustaciones# 8# Para l+(uidos corrosios, usualmente es ms econ)mica una columna empacada antes (ue su e(uialente de platos# 9# La retenci)n de li(uido es aprecia.lemente menor en una columna empacada (ue en una columna de platos# sto puede ser importante cuando se necesita mantener la cantidad de l+(uidos t)icos o inlama.les en la columna, tan .aa como sea posi.le por ra'ones de seguridad#
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Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
10# Las columnas de platos son ms adecuadas para manear sistemas (ue orman espuma# 11# La ca+da de presi)n por etapa de e(uili.rio altura equialente a plato teórico! puede ser mas .aa para una columna empacada (ue para una columna de platosA los empa(ues de.en considerarse para columnas al ac+o# 12# Los empa(ues de.en considerarse siempre para columnas con dimetro pe(ue*o, menores a 0,6 m donde los platos son diicultosos de instalar, costosos#
E7EMPLO, Se desea dise*ar una columna de rectiicaci)n continua de una me'cla de 1!000 Vg@h (ue contiene E0I en peso de heano el resto de tolueno# Con el in de o.tener am.os componentes con una pure'a del 9!I en peso# Determine4 a La producci)n horaria Vg mol@h de los productos de ca.e'a cola# . l n%mero de platos ideales la situaci)n del plato de alimentaci)n si se tiene los siguientes casos4 1#- Si la alimentaci)n entra como l+(uido a la temperatura de e.ullici)n# 2#- Si la alimentaci)n es un l+(uido r+o a 2!FC# La relaci)n de reluo se puede considerar para am.os casos del !0I superior a la m+nima# 3#- S" la alimentaci)n es un apor saturado el reheridor tiene capacidad para generar 200 Vgmol@h# c l calor retirado por el condensador el suministrado por el reheridor para cual(uier de los tres casos Datos adicionales4 5e.ullici)n >eano 68,E FC 5e.ullici)n 5olueno 110,FC
P& >eano 86 Pm 5olueno 92
Datos de equilibrio
T ?&@ 68,8 0,0 !,0 80,0 8!,0 90,0 9!,0 100,0 10!,0 110,
PA CJ: ?!!5@ 60 90 921 1068 1232 1E16 1619 18E! 2093,3 2E06
PB CK
A
=A
190 203 2EE 291 3E! E06 E6 !!6 6E3 60
1 0,9! 0,6 0,60 0,E 0,3! 0,2! 0,16 0,08 0
1 0,98 0,92 0,8E 0,6 0,6! 0,!3 0,39 0,22 0
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Co!3os%&%ones, 5omando las ecuaciones del cuadro recapitulatio# A
P5 PB
=A A
P = PB
Si P5 60 mm>g
A
760 190 760 190
P = P5
]= 1
760 760
1
1
Co!3os%&%ones %n%&%a*es\:C6>1E E0I P@P composici)n molar Para tal in utili'ado la siguiente epresi)n4 '
\ molar
'
P / P
'
P(A ' ' P / P ' P / P
P(A
=4 ms oltil B4 menos oltil
1
P(&
utili'ando la epresi)n 1 tenemos \:
E0@86 0,E2 molar E0 @ 86 60 @ 92
D
9! @ 86 0,9!3 molar 9! @ 86 ! @ 92
B
!@86 0,0!3 molar ! @ 86 9! @ 92
a Producci)n horaria Vgmol@h de los productos de ca.e'a cola# Datos4 : 1!000 Vg@h Vgmol@h : \: 0,E2 \D 0,9!3 \B 0,0!3
De 2A :
:
2
P&
P& \:# P& = 1- \: P&B Peso molecular promedio P& 0,E2 86 1-0,E2# 92 P& 89,E8 Vg@Vgmol 1!00 Vg @ h 89,E8 Gg @ Vgmol
16,6 Vgmol@h
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Ba*an&e 5*o0a* 'e Mae$%a Eno$no I
F=> F
Balance por componente ms oltil >eano
:\: D\D B\B
E
Conociendo :, \:, \D, \B Se com.inan las ecuaciones 3 E por despee se o.tiene4 D B D 69,188 Vgmol@h A
B 98,E0 Vgmol@h
. l KF de platos ideales la situaci)n del plato de alimentaci)n si se tiene los siguientes casos4 1#- Si la alimentaci)n entra como l+(uido a la temperatura de e.ullici)n# Condiciones4 ;elaci)n de ;eluo )ptimo !0I o superior de ; D min# ( 1, la pendiente de la l+nea de operaci)n de la 'ona de alimentaci)n tiende a ! la misma comien'a en el punto \ :, \: es una recta paralela al ee ordenada#
Re*a&%)n 'e Re"*u(o M6n%!a ?R'!%n@ ?raicando esta recta en el diagrama de e(uili.rio, e interceptando con la l+nea la cual parte del punto \ D, \D, so.re la cura de e(uili.rio, se prolonga hasta cortar el ee ], el cual corresponde al intercepto "4 "
0 D Dmin
!
1
De lo antes epuesto " 0,!3 despeando de la cuaci)n ! ; Dmin4 56
3+
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;Dmin
\D 1 0,8 "
Re*a&%)n 'e Re"*u(o O3%!o ;opt 0,! ;Dmin ;Dmin ;opt 1,2 Calculando nueamente ", tenemos4 "eano 0,! Vcal @ VgFC Cp 5olueno 0,E! Vcal @ VgFC heano !00 Vcal @ Vg 5olueno 8!00 Vcal @Vg
at%* ?!r&!tal!*, t%a)%* )!l $ab%rat%r&% )! T!#%l%g@a.
5o 2!FC
5L 86, "
#T omados del diagrama de e.ullicion 57 98, $ Clculo del calor necesario para llear la alimentaci)n a las condiciones de e.ullici)n# (
>7 >: >7 >L
6
>7 \: P&>\ Y Cp 5g - 5o >eano Z 1-\: P&5olueno Y Cp 56 - 5o 5oluenoZ >7 0,E2 86 Vg@ Vgmol Y 0,! Vcal@VgFC 98, - 2! FC !00 Vcal@VgZ 0,!8 92 Vg@Vgmol Y 0,E! Vcal@VgFC 98, - 2!FC 8!00 Vcal@VgZ
57
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>7 22E1,36 Vcal@Vgmol E!!329, Vcal@Vgmol >7 2E,0E Vcal@Vgmol >L \: P&>\ Y Cp>e 5L- 5o Z 1 - \: P& 5olueno Y Cp5ol 5L - 5L 0,E2 86 Y0,! 86, - 2!Z 0,!8 92 Y 0,E! 86, - 2!Z >L 120,3 1E81,!E 2!1,8E Vcal@Vgmol >: \: P&>\ Cp5& 5: - 5o 1- \:= Cp5& P& 57 >7 > L
2E,0E 2E,0E - 2!1,8E
1,0038
;esoliendo4 (
\:
] ( 1\ ( 1 Tabla )! )at%*
= 0,E2 0,8
0,E2 0,E21
?raicando estos puntos so.re el diagrama de e(uili.rio reali'ando los pasos anteriormente descritos# ";min 0,!3 ;Dmin
\D "min
1
0#9!3 0,!3
1 0,98
;op 0,98E 0,! 0,98 1,2 "op
\D ;op 1
0#9!3 1,2 1
0,E3
H.icando este punto de corte en el ee las respectias rectas de reparto, se o.tienen los siguientes platos te)ricos# KF de platos te)ricos 9 calderin 58
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Plato de =limentaci)n KF ! 3 Si la alimentaci)n es un apor saturado el reheridor tiene capacidad para generar 200 Vgmol@h#
Ba*an&e 'e !asa en e* Re/e$2%'o$ ?Eno$no II@ $=V>
7+
V
Va%r *at(ra)% '= 0, V= 200 g%l/h AA
'=
LL :
$
ntonces L L De L 200 Vgmol@h 98,E Vgmol@h 298,E Vgmol@h
Re*a&%)n 'e Re"*u(o ;D
L 298,E E,31 D 69,188
"ntercepto " "
\D ;D 1
0,9!3 E,31 1
0,18
H.icando este punto de corte con el ee, ] las respectias rectas de reparto, se o.tuo (ue4 ?raica KF 3 KF de platos ideales 6 calder+n Plato de alimentaci)n KF E C Calor retirado por el condensador el suministrado por el reheridor para cual(uiera de los tres casos# 1.- Calor retirado por el
condensador &e'cla apor saturado ala#! )! !*a ! !l #%)!*a)%r ?t%r% AV
V
AV V= $ >
L 298, E Vgmol@h 59
= 69,188 g%l/h
8+
Guía de Diseño de Equipos de Operaciones Unitarias
$
De 8 7 36,6 Vgmol@h Qc 7# \D >\# P&>\ 1 - \D 5ol P&5ol 0,9!3# !00 Vcal@Gg# 8E Vg@Vgmol 1-0,9!3# 8!00 Vcal@Gg 92 Vg@ Vgmol 631EE Vcal@Vgmol# Qc 36,6 Vgmol@h 631EE Vcal@Vgmol 23E 10 6 Vcal@h
Ca*o$ su!%n%s$a'o 3o$ e* $e/e$2%'o$ # Qsum 7 7 200 Vgmol@h \B >\ P& >\ 1-\B 5ol P& 5ol \B 0,0!!, sustituendo los alores respectios 36E0 Vcal@Vgmol Qsum 36E0 200 1!E,28 10 6 Vcal@h Qsum 1!E,28 10 6 Vcal@h
DISEÑO DE ETRACCION LIQUIDO.LIQUIDO La etracci)n l+(uido - l+(uido consiste en la separaci)n de los constituentes de una disoluci)n l+(uida por contacto con otro l+(uido inmisci.le (ue disuele preerentemente a uno de los constituentes de la disoluci)n original, dando lugar a la aparici)n de dos capas li(uidas inmisci.les de dierente densidades# La disoluci)n a tratar se denomina alimentaci)n, reci.iendo el nom.re de disolente el l+(uido (ue se pone en contacto con ella# Despu/s del contacto entre la alimentaci)n el disolente se o.tiene dos ases l+(uidas, denominadas4 etracto la ms rica en disolente reinado la mas po.re en
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disolente# Separando el disolente del etracto del reinado se o.tiene el producto etra+do el producto reinado# Como lo (ue se pretende en la etracci)n es diidir la disoluci)n l+(uida original en producto etra+do en producto reinado, es undamental la separaci)n del disolente a*adido a la disoluci)n# De a(u+ (ue la recuperaci)n del disolente haa de poder eectuarse de modo sencillo econ)micoA generalmente se reali'a por destilaci)n, eaporaci)n o saliniicaci)n# n cual(uier proceso de etracci)n se necesita4 1# Contacto de la disoluci)n l+(uida original con el disolente# 2# Separaci)n de las ases l+(uidas ormadas etracto reinado# 3# ;ecuperaci)n del disolente# stos tres apartados constituen lo (ue se denomina estadio, etapa o unidad de etracci)n, (ue reci.e el nom.re de ideal o te)rico cuando el contacto entre la disoluci)n l+(uida el disolente ha sido lo suiciente +ntimo para (ue las ases l+(uidas separadas tengan las concentraciones correspondientes a condiciones de e(uili.rio# Los diersos m/todos de etracci)n diieren en la orma de eectuar la me'cla con el disolente el la separaci)n de las rases ormadas en cada uno de los estadios o etapas#
Ana*o56a &on *a 'es%*a&%)nn el estudio de los diersos procesos de etracci)n es recuentemente %til recordar los procesos paralelos de destilaci)n, (ue en general son meor conocidos# n los procesos de destilaci)n, se separa en sus componentes una me'cla de dos sustancias por creaci)n de dos ases, un l+(uido un apor, por adici)n de calor, la separaci)n se eect%a en irtud del hecho de (ue la concentraci)n de la ase de apor se consigue por eliminaci)n de calor# n la etracci)n, se orman dos ases l+(uidas por adici)n de una disolente inmisci.le, (ue as+ resulta al anlogo del calor# Como la concentraci)n relatia de las su.stancias (ue han de separarse es dierente en las dos ases, la sedimentaci)n +sica de las capas l+(uidas produce el grado de separaci)n deseado# La eliminaci)n del disolente de la ase rica en disolente es as+ la operaci)n anloga a la condensaci)n del apor en el caso de la destilaci)n# La ta.la 3 indica las situaciones anlogas#
Ana*o56a en$e EH$a&&%)n 1 Des%*a&%)n O3e$a&%)n o &on'%&%)n en *a eH$a&&%)n =dici)n de disolente &e'clador del disolente liminaci)n del disolente Separaci)n del disolente Soluci)n rica en disolente saturada de disolente Soluci)n rica en disolente, con ms 61
Ana*o56a en *a Des%*a&%)n =dici)n de calor ;eheridor liminaci)n de calor Condensador 7apor en el punto de e.ullici)n
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disolente (ue el necesario para saturarla Soluci)n rica en disolente, con menos disolente (ue el necesario para saturarla Soluci)n po.re en disolente saturada de disolente &e'cla li(uida de dos ases Selectiidad Cam.io de temperatura
7apor so.recalentado L+(uido por de.ao del punto de e.ullici)n# L+(uido en el punto de e.ullici)n &e'cla de l+(uida apor 7olatilidad relatia Cam.io de presi)n
E*e&&%)n 'e* D%so*2ene Por lo com%n se tiene la amplia posi.ilidad de elegir entre los l+(uidos (ue se an a utili'ar como disolentes para las operaciones de etracci)n# s poco pro.a.le (ue cual(uier l+(uido particular ehi.a todas las propiedades (ue se consideran desea.les para la etracci)nA generalmente se tiene (ue llegar a un cierto acuerdo# Las siguientes caracter+sticas son las (ue de.en considerarse antes de tomar una decisi)n4
:- Se*e&%2%'a', La eectiidad del disolente B para separar los componentes de una soluci)n de = C, se mide comparando la relaci)n entre C = en la ase rica en B con esa relaci)n en la ase rica en = en el e(uili.rio# La relaci)n de las relaciones, el actor de separaci)n, o selectiidad, , es anloga a la olatilidad relatia en la destilaci)n# Si ; son las ases del e(uili.rio,
racci)n peso de C en @ racci)n peso de = en e racci)n peso de C en ; @ racci)n peso de = en ;
] J racci)n peso de = en ; \ J ; racci)n peso de = en
Para todas las operaciones de etracci)n %tiles la selectiidad de.e ser maor de uno, cunto ms meor# Si la selectiidad es uno, la separaci)n no es posi.le#
- Coe"%&%ene 'e D%s$%0u&%)n ste coeiciente es la relaci)n J @ en el e(uili.rio# &ientras (ue no es necesario (ue el coeiciente de distri.uci)n sea de 1, los alores ms grandes resultan mas adecuados, puesto (ue se re(uerir menos disolente para la etracci)n# - Re&u3e$a0%*%'a', Siempre es necesario recuperar el disolente para olerlo a utili'arA generalmente, la recuperaci)n se hace mediante otras de las operaciones de transerencia de masa, con recuencia por destilaci)n# Si se a la utili'ar la destilaci)n, el disolente no de.e ormar un a'eotropo con el soluto etra+doA las me'clas de.en presentar eleada olatilidad relatia, para (ue la 62
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recuperaci)n no sea cara# La sustancia en el etracto, a sea disolente o soluto, (ue est presente en la menor cantidad, de.e ser la ms oltil, con el in de reducir los costos de calor# Si el disolente se de.e olatili'ar, su calor latente de apori'aci)n de.e ser pe(ue*o#
- Dens%'a', s necesaria una dierencia en las densidades de las ases l+(uidas saturadas, tanto para la operaci)n con e(uipo por etapas como de contacto continuo# Cuanto maor sea la dierencia tanto meor# - Tens%)n Ine$"a&%a*, Cuanto maor sea la tensi)n interacial, mas rpidamente ocurrir la coalescencia de las emulsiones, pero ser maor la diicultad para la dispersi)n de un l+(uido en el otro# ?eneralmente, la coalescencia es mu importanteA por lo tanto, la tensi)n interacial de.e ser alta# La tensi)n interacial entre ases en el e(uili.rio en sistemas, cae a cero en el punto de pliegue# J- Rea&%2%'a' Qu6!%&a, l disolente de.e ser esta.le e inerte (u+micamente rente a los dems componentes del sistema rente a los materiales comunes de construcci)n# - V%s&os%'a'+ 3$es%)n 'e 2a3o$ 1 3uno 'e &on5e*a!%eno De.en ser .aos, para acilitar el maneo el almacenamiento# K- E* '%so*2ene 'e0e se$ no )H%&o+ no %n"*a!a0*e 1 'e 0a(o &oso M#o'os 'e C8*&u*on todas nuestras consideraciones supondremos (ue4 1 n cada etapa se reali'a el contacto entre la alimentaci)n el disolente# 2 Las etapas son te)ricas o ideales, es decir, (ue se alcan'a el e(uili.rio entre el etracto el reinado# 3 >a separaci)n de las ases ormadas# E Se recupera el disolente#
Los m/todos de clculo del n%mero de etapas dependen de los m/todos de contacto empleados en el proceso de etracci)n# stos se clasiican en4 = Contacto sencillo discontinuo B Contacto m%ltiple en corriente directa continuo o discontinuo C Contacto m%ltiple en contracorriente continuo
E7EMPLO, 100 Vg de una disoluci)n de = C, de composici)n 30I en peso de C, se somete a un proceso de etracci)n en corriente directa empleando como disolente el componente B# La operaci)n se eect%a en tres etapas utili'ando !0 Vg de B en cada etapa# Calc%lese4
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a La cantidad composici)n del etracto del reinado en cada una de las etapas# . La cantidad composici)n del producto etra+do del producto reinado# c La composici)n mima de C (ue puede lograrse con este m/todo de etracci)n# Las composiciones de ases conugadas para este sistema, en peso I, son las siguientes4
A 9!,0 92,! 89,9 3,3 8E,6
;einado B !,0 !,0 !,1 !,2 !,E
A 10,0 10,1 10,8 11,! 12,
tracto B 90,0 82,0 E,2 6,! 61,1
C 0,0 2,! !,0 ,! 10,0
C 0,0 ,9 1!,0 21,0 26,2
81,9 9,1 6,3 3,E 6,!
!,6 !,9 6,2 6,6 ,!
12,! 1!,0 1,! 20,0 2!,0
1E,2 1!,9 1,8 19,6 2E,6
!!,8 !0,3 E!, E1,E 32,9
30,0 33,8 36,! 39,0 E2,!
61,1 !E,E E6,6
8,9 10,6 13,E
30,0 3!,0 E0,0
28,0 33,3 E0,!
2,! 21, 16,!
EE,! E!,0 E3,0
E3,E
1!,0
E1,6
E3,E
1!,0
E1,6
So*u&%)n, :e$a- Ea3a, so.re el diagrama triangular tra'amos la recta B: so.re ella locali'amos el punto & 1, teniendo en cuenta (ue4 &1 : B 100!0 1!0 Vg# \&1
100 # 0,30 1!0
0,20
Las composiciones del etracto del reinado se leen en las interacciones de la recta de reparto (ue pasa por & 1 con la cura .inodal, encontrado4 ]1 0,28 \1 0,113 Las cantidades de reinado etracto sern4
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1
1!0 # 0,20 - 0,113 0,28 - 0,113
;1 1!0-8,1 1,9 Vg
'a- Ea3a, se tra'a la recta B; 1 so.re ella se locali'a el punto & 2 teniendo en cuenta (ue4 &2 ;1B2 1,9 !0 121,9 Vg# \&2
1,9 # 0,113 121,9
0,06
Las composiciones del etracto el reinado procedentes de esta etapa se leen en las interacciones de la recta de reparto (ue pasa por & 2 con la cura .inodal, encontrando4 ]2 0,100 \2 0,031 Las cantidades de etracto reinado sern 2
121, 0,06 - 0,031 0,100 - 0,031
6E,!
;2 121,9-6E,! !,E Vg#
$a- Ea3a, procedimiento del mismo modo (ue para las etapas anteriores, resulta4 &3 !,E!0 10,E Vg#
\&3
!,E
0,031
10,E
0,016
]3 0,023 \3 0,008 3
10,E 0,016 - 0,008 0,023 - 0,008
60,2 Vg#
;3 10,E N 60,2 E,2 Vg#
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a@ La composici)n del reinado le+da so.re el diagrama punto ;3 es 0,0!0A por consiguiente, la cantidad de producto reinado ser4 ;W E,2 1-0,0!0 EE,8 Vg# La composici)n del producto reinado se lee en la intersecci)n de la recta B; 3 con el lado =C, resultando4 \ 0,009 La cantidad total de etracto ser4 8,1 6E,! 60,2 202,8 Vg# La cantidad de C en el etracto ser4 8,1 # 0,28 6E,! # 0,100 60,2 # 0,023 29, Vg# La cantidad de = en el producto etra+do ser4 1001-0,30 N EE,81-0,009 2!,6 Vg# La cantidad total de producto etra+do ser4 W 29, 2!,6 !!,3 La composici)n del producto etra+do ser4 ] 29, @ !!,3 0,!E
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EQUIPOS DE ADSORCION La adsorci)n es un proceso de separaci)n en la (ue ciertos componentes de una ase luida se transieren hacia la supericie de un s)lido adsor.ente# ?eneralmente las pe(ue*as part+culas de adsor.ente se mantienen en un lecho io mientras (ue el luido pasa continuamente a tra/s del lecho hasta (ue el s)lido est prcticamente saturado no es posi.le alcan'ar a la separaci)n deseada# Se des+a entonces el luo hacia un segundo lecho hasta (ue el a.sor.ente saturado es sustituido o regenerado# l intercam.io de ion es otro proceso (ue generalmente se llea a ca.o en semi-continuo en un lecho io de orma similar# =s+, agua (ue se desea a.landar o desioni'ar se hace pasar so.re un lecho de eseras de resina de intercam.io de ion, situadas en una columna, hasta (ue la resina alcan'a prcticamente la saturaci)n# De esta orma, pueden separarse unos de otros los componentes de soluciones gaseosas o l+(uidas# Hnos cuantos eemplos indicarn la naturale'a general posi.le de las separaciones al mismo tiempo la gran ariedad de aplicaciones prcticas# n el campo de las separaciones gaseosas, la adsorci)n se utili'a para deshumidiicar aire otros gases, para eliminar olores e impure'as desagrada.les de gases industriales como di)ido de car.ono, para recuperar apores aliosos de disolentes a partir de me'clas diluidas con aire otros gases para raccionar me'clas de gases de hidrocar.uros (ue contienen sustancias como metano, etileno, etano, propileno propano# Las separaciones t+picas de l+(uidos incluen la eliminaci)n de humedad disuelta en gasolina, decoloraci)n de productos de petr)leo soluciones acuosas de a'%car, eliminaci)n de sa.or olor desagrada.les del agua el raccionamiento de me'clas de hidrocar.uros aromticas para+nicos# La escala de operaciones a desde el uso de unos cuantos gramos de adsor.ente en el la.oratorio hasta las plantas industriales, cuo inentario de adsor.ente ecede los 13!#000 Vg#
A'so$0enes 1 3$o&esos 'e a'so$&%)nLa maor parte de los adsor.entes son materiales altamente porosos la adsorci)n tiene lugar undamentalmente en el interior de las part+culas so.re las paredes de los poros en puntos espec+icos# Puesto (ue los poros son generalmente mu pe(ue*os, el rea de la supericie interna es arios ordenes de magnitud superior al rea eterna puede alcan'ar alores tan eleado como 2000 m 2@g# La separaci)n se produce de.ido a (ue dierencias de peso molecular o de polaridad dan lugar a (ue algunas mol/culas se adhieran ms uertemente a la supericie (ue otras# n muchos casos el componente (ue se adsor.e adsor.ato se ia tan uertemente (ue permite una separaci)n completa de dicho componente desde un luido sin apenas adsorci)n de otros componentes# l adsor.ente puede regenerarse con el in de o.tener el adsor.atado en orma concentrada o prcticamente pura#
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Equ%*%0$%os %soe$!as 'e a'so$&%)n La isoterma de adsorci)n es la relaci)n de e(uili.rio entre la concentraci)n en la ase luida la concentraci)n en las part+culas de adsor.ente a una temperatura determinada# Para el caso de gases la concentraci)n iene generalmente dada como racci)n molar o como presi)n parcial# Para l+(uidos la concentraci)n se epresa ha.itualmente en unidades de masa, tales como partes por mill)n# La concentraci)n de adsor.ato so.re el s)lido iene dada como masa adsor.ida por unidad de masa de adsor.ente original#
T%3o 'e %soe$!asn la igura inerior se presentan algunas ormas t+picas de isotermas# La isoterma lineal pasa por el origen de coordenadas la cantidad adsor.ida es proporcional a la concentraci)n en el luido# Las isotermas (ue son coneas hacia arri.a se denominan aora.les, de.ido a (ue puede o.tenerse una carga relatiamente eleada del s)lido para una .aa concentraci)n en el luido# La isoterma de Langmuir, " # bc$%& ' (c!) donde " es la carga de adsor.ato, c es la concentraci)n en el luido b ( son constantes, es del tipo aora.leA cuando (c 1, la isoterma es altamente aora.le, mientras (ue cuando (c M 1 la isoterma es prcticamente lineal# Desaortunadamente, la isoterma de Langmuir, (ue tiene una .ase te)rica sencilla, no permite austar .ien un eleado n%mero de sistemas de adsorci)n +sica# La ecuaci)n emp+rica de :reundlich, " # bc m , donde m M 1, conduce generalmente a un meor auste, especialmente para la adsorci)n a partir de l+(uidos#
Isoe$!as 'e a'so$&%)n sta ecuaci)n en ees cartesianos representa una par.ola, " es la masa de sustancia ad.or.ida por unidad de masa de adsor.enteA c es la concentraci)n inal de e(uili.rio del adsor.ato, m es una constante (ue oscila entre 0,2 1, para todas las sustancias ensaadas, . es otra constante, (ue depende entre otras cosas de la naturale'a de la supericie del adsor.ente# =l aumentar la temperatura cr+tica de los adsor.atos suele disminuir m, pero aumenta . de orma ms inluente# 69
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5odos los sistemas presentan una disminuci)n de la cantidad adsor.ida al aumentar la temperatura , por supuesto, el adsor.ato puede desor.erse aumentando la temperatura, aun para los casos titulados Oirreersi.les# Sin em.argo, la desorci)n re(uiere una temperatura mucho ms eleada cuando la adsorci)n es mu aora.le o irreersi.le (ue cuando las isotermas responden a un modelo lineal# Hna isoterma (ue es c)ncaa hacia arri.a reci.e el nom.re de desaora.le de.ido a (ue se o.tienen cargas del s)lido relatiamente .aas a (ue conducen a largas 'onas de transerencia de materia en el lecho# Las isotermas de esta orma son raras pero resultan interesantes para audar a comprender el proceso de regeneraci)n# Si la isoterma de adsorci)n es aora.le, la transerencia de materia desde el s)lido hacia la ase luida tiene caracter+sticas similares a las de adsorci)n con una isoterma desaora.le# Los datos de adsorci)n para apores de hidrocar.uros so.re car.)n actio se austan en ocasiones a isotermas de :reundlich, pero en un amplio interalo de presiones las pendientes de las isotermas disminuen gradualmente al aumentar la presi)n# La cantidad adsor.ida depende undamentalmente de la relaci)n entre la presi)n parcial de adsor.ato en el gas la presi)n de apor del l+(uido en las mismas condiciones, as+ como del rea supericial del car.)n# Se han desarrollado correlaciones generali'adas .asadas en el concepto de potencial de adsorci)n, en la igura 0 se presentan algunos resultados para parainas compuestos de a'ure# Para una determinada clase de materiales la cantidad adsor.ida depende de %*$+! log %f s $f!, siendo 5 la temperatura de adsorci)n, s la ugacidad del l+(uido saturado a la temperatura de adsorci)n la ugacidad del apor# Para adsorci)n a la presi)n atmos/rica se utili'an la presi)n parcial la presi)n de apor en lugar de las ugacidades# l olumen adsor.ido se conierte a masa suponiendo (ue el l+(uido adsor.ido tiene la misma densidad (ue el l+(uido a la temperatura de e.ullici)n#
E7EMPLO, Se utili'a adsorci)n so.re car.)n BPL para tratar una corriente de aire (ue contiene 0,2 por 100 de n-heano a 20 FC# a st+mese la capacidad de e(uili.rio para la operaci)n de un lecho a 20 FC# . Cunto disminuir la capacidad si el calor de adsorci)n aumentase la temperatura del lecho hasta E0 FCf So*u&%)n, a l peso molecular del n-heano es 86,1# = 20 FC seg%n Perr, OChemical ngineerWs >and.ooG, !# De#, p# 3-!6, P 120 mm >g % s = la temperatura normal de e.ullici)n 68, FC, L 0,61! g@cm3 La presi)n de adsorci)n P es 6!0 mm >g, p 0,002 60 1,!2 mm >g % 7
86,1 0,61!
1E0,1 cm3 / g mol
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5 293 120 log s log 3,9 7 1E0,1 1,!2
= partir de la igura 0, el olumen adsor.ido es 31 cm 3 de l+(uido por cada 100 g de car.)n4 X 0#31 0,61! 0,19 g@g car.)n . = E0FC
P 26 mm >g
5 313 26 log s log !,0! 7 1E0,1 1,!2
l olumen adsor.ido, es 2 cm 3 por 100 g de car.)n4 X 0,2 0,61! 0,1 g@g car.)n
A'so$0enes %n'us$%a*es, n general, los a.sor.entes son s)lidos porosos, de gran supericie , los ms actios, amoros# = pesar de estas propiedades generales, no es posi.le dar normas concretas (ue permitan predecir si un cuerpo ser o no .uen adsor.ente# :+sicamente son sustancias pulerulentas o granulares# l tama*o del grano suele oscilar entre 0#! - 20 mm# Para hacer maor la permea.ilidad -m+nima compacidad- se suele tra.aar siempre con tama*os uniormes# Cuando el lecho es esttico, el tama*o mimo del adsor.ente iene iado en cierto modo por el de la columna en la (ue a situado, de manera (ue sea diam# particula M diam# columna
0,1 para eitar la ormaci)n de canales laterales e
irregularidades de distri.uci)n del luido# Como es natural, cuanto menor sea el dimetro de la part+cula maor ser la supericie espec+ica del producto, meor ser su aproechamientoA pero la permea.ilidad del lecho disminue mucho con el dimetro# Hna soluci)n de compromiso es dar orma es/rica a los grnulos pe(ue*os orma de mima porosidad, lo (ue se ha conseguido mu perectamente en la industria, como indica la igura 1# =parte lo anterior, los grnulos de adsor.entes de.en ser resistentes, indeorma.les, no hincharse por el contacto con los l+(uidos con los (ue se haan de emplear, etc# La densidad punto de usi)n son datos a eces interesantes# Qu+micamente, de.ern resistir a los adsor.atos sus disoluciones, a los agentes regenerantes, aun a las temperaturas a (ue haan de practicarse la regeneraci)n#
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C*as%"%&a&%)n In'us$%a* Los adsor.entes industriales se suelen clasiicar en4 1# Car.ones egetales o animales#- La actiaci)n de estos productos suele consistir en eliminar de sus poros las materias adsor.idas durante la car.oni'aci)n# sto se consigue, .ien car.oni'ando primeramente la madera someti/ndola luego a la acci)n del C0 2 o del apor de agua, a 800-1000 F, o .ien por +a (u+mica, car.oni'ando la madera impregnada en disoluci)n de Cl 2_n, >2P2Sp mediante la ecuaci)n antes descrita4 Air)p
144 * 0,0361 *176,57 * 40 33000
1,11258
Correcci)n del >p calculado4 A 528 * )pcalculado * 14 , 7 460 T 1
)p s
Donde4 >ps Los >p del aire corregidas a la presi)n temperatura real de entrada 528 14,7 * 1,11258 1,048 * 14,7 460 100,41
)p s
Calculo del B>P4 De los tipos de impulsores impelers, para los entiladores centr+ugos, se seleccion) el impulsor a.ierto, por ser el de uso com%n, .ao condiciones generales por ser autolimpiantes# Para la eiciencia del soplador se lee en la igura, una eiciencia de !0I para una eiciencia esttica de 69I Oescogida &)P
1,048 0,5
2,09
Ca*&u*o 'e *a Te!3e$au$a 'e 'es&a$5a ?T @ P T 2 T 1 * 2 P 1
0, 52
14,7 1,4436 100,4 * 14,7
0, 52
91
105,4º !
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So3*a'o$ Ca$a&e$6s%&as 'e* 5as Composici)n O- ) 1 - Peso molecular -234$34mol :luo re(uerido 566 m5 $h :luo re(uerido corregido 5&7)528 m5 $h Con'%&%ones 'e o3e$a&%)n Presi)n de succi)n &8): psia Presi)n de descarga &;)&8 psia 5emperatura de succi)n &66)8 p corregido &)68! B>P -)67 iciencia del soplador !0I
T%3o 'e So3*a'o$ Estándar Centrifu4al +entilation 9ans
A&&eso$%os Reque$%'os Hnidad &otri' motor Control 1 re4uladores de tiro Control 2 aletas de 4uia de entrada! "mpulsor De tipo abierto
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DISEÑO DE COMPRESORES Los compresores utili'ados en las plantas de la industria de procesos (u+micos suelen ser compleos, construidos con precisi)n costosos# Por ello, su selecci)n, operaci)n mantenimiento de.en ser cuidadosos# Por eemplo, la operaci)n incorrecta puede ocasionar oscilaciones de presi)n inesta.ilidad, condici)n en la cual se inierte un instante el luo de gas dentro del compresor# stas oscilaciones pueden da*ar los componentes internos del compresor, producir da*os por miles de d)lares en un corto tiempo aumentar el costo del tiempo perdido para su reparaci)n#
Co!3$eso$es &en$6"u5os n un compresor centr+ugo se produce la presi)n al aumentar la elocidad del gas (ue pasa por el impulsor , luego, al recuperarla en orma controlada para producir el luo presi)n deseados# La orma de la cura caracter+stica depende del ngulo de los la.es del impulsor en el dimetro eterior del mismo tam.i/n del tipo de diusor# stos compresores suelen ser unitarios, salo (ue el luo sea mu grande o (ue las necesidades del proceso eian otra cosa# La maor parte de los impulsores para la "PQ son del tipo de inclinaci)n hacia atrs o inersa, (ue permite meor control por(ue su cura de rendimiento tiene maor pendiente# La elocidad en las puntas de un impulsor conencional suele ser de 800 a 900 t@s# sto signiica (ue el impulsor podr producir alrededor de 9!00 pies de carga, lo (ue depende del gas (ue se comprima# Si se re(uieren alores ms altos, se emplean compresores de etapas m%ltiples# Los gases pesados como el propano, el propileno o re)n necesitan una reducci)n en la elocidad en las puntas, por(ue estos gases tienen elocidades s)nicas ms .aas, comparadas con el aire# Para ellos, el n%mero de &ach relatio en el lado del impulsor est limitado a 0#8# Cuando se eal%a un compresor centr+ugo, se de.e prestar mucha atenci)n al porcentae de aumento en la presi)n, desde el punto normal de uncionamiento hasta el punto de oscilaci)n# ste punto se deine como el lugar en donde una reducci)n adicional en el luo ocasionar inesta.ilidad en orma de luo a pulsaciones pueden ocurrir da*os por so.recalentamiento, alla de los coinetes por la inersi)n de empue o por i.raci)n ecesia# De.ido a las altas elocidades de los compresores centr+ugos, se de.e tener ms cuidado con el .alanceo del rotor# La industria ha aceptado, en general, la siguiente )rmula para los l+mites de i.raci)n permisi.les en el ee o r.ol del compresor4 _
12000 / n
en donde _ es el l+mite de i.raci)n permisi.le, pico a pico, en mil/simas de pulgada n es la elocidad, en rpm# _ tiene un l+mite mimo de 2 miliplg a cual(uier elocidad# Seg%n sea el sistema para el proceso, se necesitan diersos controles contra oscilaci)n para eitar (ue el compresor llegue al alor
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en el cual se producen# Por lo general, se de.e incluir un actor de seguridad de ! a 10I para los controles automticos# Las entaas del empleo de un compresor centr+ugo son4 1# n el interalo de 2 000 a 200 000 pie 3@min, seg%n sea la relaci)n de presi)n, este compresor es econ)mico por(ue se puede instalar una sola unidad# 2# a (ue tener cuidado de no lu.ricar en eceso, por(ue la car.on car.oni'a i'aci) ci)n n del aceite aceite en las lul lulas as puede puede ocasio ocasionar nar adhere adherenci ncias as so.recalentamiento# =dems, los tu.os de descarga saturados con aceite son un riesgo potencial de incendio, por lo (ue se de.e colocar corriente a.ao un sepa separa rado dorr para para elim elimin inar ar el acei aceite te## Los Los pro. pro.le lema mass ms ms gran grande dess en los los compresores con cilindros lu.ricados son la suciedad la humedad, pues destruen la pel+cula de aceite dentro del cilindro# Los compresores reciprocantes de.en tener, de preerencia motores de .aa elocidad, de acoplamiento directo, en especial si son de ms de 300 hpA suelen ser de elocidad constante# l control de la elocidad se logra mediante lulas descargadoras, estas de.en ser del tipo de a.atimiento de la placa de lula o del tipo de descargador con tap)n o macho# Los descargadores (ue (ue lea leant ntan an toda toda la l lula ula de su asie asient nto o pued pueden en crea crearr pro. pro.le lema mass de sellamiento# La descarga puede ser automtica o manual# Los pasos normales de descarga son 0-100I, 0-!0-100I, 0-2!-60-!-100I se pueden o.tener pasos intermedios con caas de espacio muerto o .otellas de despeoA pero, no se de.en utili'ar estas caas si puede ocurrir polimeri'aci)n, salo (ue se tomen las precauciones adecuadas#
E7EMPLO, ste pro.lema muestra los clculos para ealuar la compresi)n del aire# Las prop propie ieda dade dess de los los comp compon onen ente tess de una una me'c me'cla la t+pi t+pica ca de aire aire est estn n ampl amplia iame ment nte e disp dispon oni. i.le les# s# l luo luo es dado dado en .ase .ase olu olum/ m/tri trica ca real real,, en preerencia a luo msico, de.ido a (ue este pro.lema usa la cura del compresor en t/rminos de luo olum/trico real# Da'o, Q1 13#2 m3@s 2899 pie3@min real P1 99 GPa a.s# 1E#E psia ?as aire 51 32C 90: P2 208 GPa a.s# 30#2 Psia
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