ÍNDICE
PRÓLOGO ............................................................................................................................................ 11
1. OPERACIONES DE SEPARACIÓN CONCEPTOS GENERALES ................................. 13
1.1. Introducción ............................................................................................................................. 14
1.2. Técnicas de separación............................................................................................................ 15
1.3. Ejemplos de operaciones de separación ............................................................................... 15
1.3.1. Creación de una segunda fase a partir de la mezcla alimento ................................ 16
1.3.2. Adición de una segunda fase en el sistema ............................................................... 18
1.3.3. Empleo de barreras (membranas) ............................................................................. 22
1.3.4. Aplicación de un campo externo ................................................................................ 23
1.4. Modo de operación ................................................................................................................. 25
1.5. Problemas de diseño y problemas de simulación ................................................................ 26
1.6. Equipos. Tipos de contacto entre fases ................................................................................. 26
1.7. Selección del proceso de separación ..................................................................................... 28
Resumen ........................................................................................................................................... 30
Ejercicios propuestos ...................................................................................................................... 31
Preguntas de autoevaluación ......................................................................................................... 31
2. TERMODINÁMICA DEL EQUILIBRIO ENTRE FASES ................................................. 33
2.1. Introducción ............................................................................................................................. 34
2.2. Termodinámica del equilibrio entre fases ............................................................................ 35
2.3. Test de estabilidad de fases .................................................................................................... 38
2.3.1. Energía libre de Gibbs de las fases y del sistema ..................................................... 38
2.3.2. Interpretación gráfica del test de estabilidad. Test de la menor tangente común ....... 41
2.4. Azeótropos homogéneos........................................................................................................ 44
2.5. Test de estabilidad de fases. Correspondencia entre el diagrama de energía libre de
Gibbs en función de la composición y el diagrama T-x/y ................................................... 51
2.6. Cálculos de equilibrio entre fases.......................................................................................... 54
2.6.1. Fase vapor ..................................................................................................................... 54
6 Operaciones de separación de transferencia de materia
2.6.2. Fase líquida. Coeficientes de actividad de mezclas líquidas .................................... 54
2.6.3. Cálculos de equilibrio .................................................................................................. 58
2.6.4. Comportamiento ideal de la fase líquida .................................................................. 72
Resumen ........................................................................................................................................... 73
Ejercicios propuestos ...................................................................................................................... 73
Preguntas de autoevaluación ......................................................................................................... 75
Nomenclatura ................................................................................................................................. 76
3. RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS EN COLUMNAS DE PLATOS ............. 79
3.1. Introducción ............................................................................................................................. 80
3.2. Columna de rectificación generalizada. Nomenclatura. Diagramas.................................. 81
3.3. Deducción de las ecuaciones generales ................................................................................ 83
3.4. Columna convencional ........................................................................................................... 91
3.4.1. Sectores de enriquecimiento y agotamiento. Deducción de las ecuaciones
representativas .............................................................................................................. 91
3.4.2. Análisis de la zona de alimentación y cambio de sector. Deducción
de las ecuaciones representativas ............................................................................... 93
3.5. Extracción de producto líquido ............................................................................................. 112
3.6. Condensador intermedio en el sector de enriquecimiento ................................................ 115
3.7. Reflujo mínimo y reflujo total................................................................................................ 118
Resumen ........................................................................................................................................... 124
Problemas propuestos..................................................................................................................... 125
Preguntas de autoevaluación ......................................................................................................... 126
Nomenclatura .................................................................................................................................. 127
4. DESTILACIÓN SIMPLE ABIERTA DIFERENCIAL Y RECTIFICACIÓN
DISCONTINUA ............................................................................................................................ 129
4.1. Introducción ............................................................................................................................. 130
4.2. Deducción de las ecuaciones que rigen el proceso. Ecuación de Lord Rayleigh ............ 131
4.2.1. Mezclas binarias ........................................................................................................... 133
4.3. Rectificación discontinua ....................................................................................................... 140
4.3.1. Deducción de las ecuaciones que rigen el proceso .................................................. 140
Resumen ........................................................................................................................................... 147
Problemas propuestos..................................................................................................................... 147
Preguntas de autoevaluación ......................................................................................................... 148
5. RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES EN COLUMNAS
DE PLATOS ................................................................................................................................... 151
5.1. Diferencias entre la rectificación binaria y la multicomponente ...................................... 153
5.2. Aspectos preliminares del cálculo de la rectificación multicomponente ......................... 154
5.3. Métodos simplificados para el cálculo de rectificación multicomponente ....................... 158
5.3.1. Método de Fenske-Underwood-Gilliland ................................................................. 158
5.3.2. Método de Hengstenbeck ........................................................................................... 168
5.3.3. Métodos de grupo ........................................................................................................ 168
5.4. Métodos rigurosos para el cálculo de rectificación multicomponente .............................. 168
Índice 7
5.4.1. Planteamiento del problema.................................................................................... 168
5.4.2. Algunos métodos rigurosos de simulación de columnas de rectificación
multicomponente ..................................................................................................... 171
5.5. Separación de mezclas azeotrópicas.................................................................................... 172
5.5.1. Operaciones de destilación asistida ....................................................................... 172
5.5.2. Regiones de destilación y regiones de productos posibles .................................. 173
5.5.3. Diseño de secuencias de columnas de destilación ............................................... 177
5.6. Uso de simuladores para el cálculo de rectificación multicomponente ......................... 179
Resumen ........................................................................................................................................... 179
Problemas propuestos..................................................................................................................... 180
Preguntas de autoevaluación ......................................................................................................... 182
Nomenclatura ................................................................................................................................. 183
6. EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO ..................................................................................... 185
6.1. Introducción ........................................................................................................................... 186
6.2. Criterios para la selección del disolvente ........................................................................... 188
6.3. Nomenclatura......................................................................................................................... 189
6.4. Representación ...................................................................................................................... 190
6.5. Equilibrio líquido-líquido .................................................................................................... 192
6.6. Efecto de la temperatura y la presión ................................................................................. 193
6.7. Clasificación de Treybal de sistemas ternarios .................................................................. 194
6.8. Una etapa de extracción ....................................................................................................... 195
6.8.1. Caudales máximo y mínimo de disolvente............................................................. 198
6.9. Contacto múltiple con disolvente nuevo en cada etapa ................................................... 202
6.9.1. Diseño ........................................................................................................................ 202
6.9.2. Simulación.................................................................................................................. 205
6.9.3. Caudales máximo y mínimo de disolvente............................................................. 205
6.10. Contacto múltiple en contracorriente ................................................................................. 205
6.10.1. Diseño ........................................................................................................................ 206
6.10.2. Simulación.................................................................................................................. 209
6.10.3. Caudales máximo y mínimo de disolvente............................................................. 215
6.10.4. Contracorriente con corrientes laterales ................................................................ 217
6.11. Contacto múltiple en contracorriente con reflujo ............................................................. 220
6.11.1. Diseño ........................................................................................................................ 220
6.12. Disolventes inmiscibles ......................................................................................................... 226
6.12.1. Una etapa .................................................................................................................. 227
6.12.2. Contacto múltiple con disolvente nuevo en cada etapa ....................................... 228
6.12.3. Contacto múltiple en contracorriente .................................................................... 231
6.13. Equipos ................................................................................................................................... 234
Resumen ........................................................................................................................................... 235
Problemas propuestos..................................................................................................................... 236
Preguntas de autoevaluación ......................................................................................................... 240
Nomenclatura .................................................................................................................................. 241
8 Operaciones de separación de transferencia de materia
7. ABSORCIÓN ................................................................................................................................ 243
7.1. Introducción ............................................................................................................................. 244
7.1.1. Selección de absorbentes ............................................................................................ 245
7.2. Equilibrio ................................................................................................................................. 246
7.3. Mecanismos de transferencia de materia en absorción ...................................................... 247
7.3.1. Introducción a la difusión molecular ......................................................................... 247
7.3.2. Teoría de la doble película .......................................................................................... 250
7.3.3. Introducción a los coeficientes de transferencia de materia ................................... 253
7.3.4. Relación entre coeficientes de transferencia de materia ......................................... 256
7.3.5. Correlaciones para el cálculo de coeficientes de transferencia de materia ........... 260
7.4. Diseño de una torre de absorción ......................................................................................... 261
7.4.1. Tratamiento por contacto discontinuo. Cálculo de HETP y NTP .......................... 263
7.4.2. Tratamiento por contacto continuo. Cálculo de HUT y NUT ................................ 269
7.5. Otros tipos de operación ........................................................................................................ 280
7.5.1. Absorción con reacción ............................................................................................... 280
7.5.2. Absorción no isoterma ................................................................................................ 282
Resumen ........................................................................................................................................... 282
Problemas propuestos..................................................................................................................... 283
Preguntas de autoevaluación ......................................................................................................... 287
Nomenclatura .................................................................................................................................. 288
8. PROCESOS DE INTERACCIÓN AIRE-AGUA ................................................................... 291
8.1. Introducción ............................................................................................................................. 292
8.2. Equilibrio y propiedades del aire húmedo ........................................................................... 293
8.2.1. Expresión del equilibrio en procesos de interacción aire-agua ............................. 293
8.2.2. Propiedades del aire húmedo ..................................................................................... 294
8.2.3. Termómetro húmedo. Cálculo de la humedad del aire a partir
de la temperatura húmeda .......................................................................................... 297
8.3. Cálculo de las propiedades del aire en procesos de humidificación .................................. 305
8.3.1. Humidificación adiabática........................................................................................... 305
8.3.2. Saturación adiabática .................................................................................................. 307
8.3.3. Humidificación no adiabática ..................................................................................... 308
8.4. Construcción y manejo de diagramas de humedad............................................................. 310
8.5. Diseño de una torre para procesos de interacción aire-agua ............................................. 314
8.5.1. Transporte de materia y calor en procesos de interacción aire-agua ..................... 315
8.5.2. Balances de materia y energía ................................................................................... 318
8.5.3. Ecuaciones de velocidad ............................................................................................. 320
8.5.4. Ecuaciones de diseño. Cálculo de la altura de la torre ............................................ 322
8.5.5. Cálculo de las condiciones del aire en la torre. Método de Mickley ...................... 327
8.5.6. Condiciones extremas de operación ......................................................................... 332
8.5.7. Cálculo de la sección de la torre ................................................................................. 333
8.6. Determinación de los coeficientes de transporte. Experimento de Mickley.
Correlaciones semiempíricas para el cálculo de los coeficientes de transporte .............. 334
8.7. Características de las torres para procesos de interacción aire-agua ............................... 335
Resumen ........................................................................................................................................... 336
Problemas propuestos..................................................................................................................... 337
Índice 9
Preguntas de autoevaluación ......................................................................................................... 339
Nomenclatura .................................................................................................................................. 340
9. SECADO ........................................................................................................................................ 341
9.1. Introducción ........................................................................................................................ 342
9.2. Nomenclatura ..................................................................................................................... 343
9.3. Equilibrio en sólidos húmedos ......................................................................................... 344
9.4. Cinética de secado .............................................................................................................. 346
9.4.1. Cálculo del tiempo de secado en condiciones de aire constantes.................. 349
9.4.2. Cálculo del tiempo de secado en secaderos continuos ................................... 360
9.5. Cálculo de las dimensiones de un secadero .................................................................... 366
9.6. Necesidades energéticas del proceso de secado ............................................................. 370
9.7. Clasificación, selección y tipos de secaderos ................................................................... 371
Resumen ........................................................................................................................................... 373
Problemas propuestos..................................................................................................................... 373
Preguntas de autoevaluación ......................................................................................................... 376
Nomenclatura .................................................................................................................................. 377
10. DISEÑO Y OPERACIÓN DE COLUMNAS .......................................................................... 381
10.1. Introducción al diseño de columnas de platos ................................................................ 382
10.2. Consideraciones generales para el diseño de columnas de platos................................ 386
10.3. Cálculo del diámetro de una columna de platos ............................................................ 387
10.3.1. Distintos tipos de áreas ....................................................................................... 387
10.3.2. Cálculo de la velocidad de inundación o anegamiento ................................... 388
10.3.3. Cálculo del diámetro ........................................................................................... 389
10.4. Cálculo de la pérdida de presión en el plato ................................................................... 392
10.5. Comprobaciones del funcionamiento hidráulico de los pisos....................................... 395
10.5.1. Cálculo del caudal de goteo y comprobación de la fracción de goteo .......... 395
10.5.2. Cálculo de la velocidad máxima del líquido en el conducto de descenso .... 396
10.5.3. Cálculo del caudal de líquido arrastrado (e) .................................................... 396
10.6. Presión de operación de la columna y tipo de condensador ......................................... 402
10.7. Introducción al diseño de columnas de relleno .............................................................. 406
10.8. Tipos de relleno y dispositivos internos ........................................................................... 407
10.8.1. Tipos de relleno ................................................................................................... 407
10.8.2. Dispositivos internos ........................................................................................... 409
10.9. Regímenes de operación ................................................................................................... 410
10.10. Criterios para calcular el diámetro de la columna ......................................................... 412
10.10.1. Criterio del punto de inundación ...................................................................... 413
10.10.2. Criterio de la máxima capacidad de operación................................................ 415
10.10.3. Criterio de la pérdida de presión ....................................................................... 415
10.10.4. Comparación de criterios ................................................................................... 417
10.11. Otros parámetros a tener en cuenta en el diseño ........................................................... 418
10.11.1. Punto de carga ..................................................................................................... 418
10.11.2. Mínima velocidad de humectación y subhumectación ................................... 419
10.11.3. Mínima velocidad del gas ................................................................................... 419
10.11.4. Cantidad de líquido retenido en la columna.................................................... 419
10 Operaciones de separación de transferencia de materia
Resumen ............................................................................................................ 422
Problemas propuestos.......................................................................................422
Preguntas de autoevaluación ...........................................................................425
Nomenclatura .....................................................................................................426
SOLUCIONARIO ..................................................................................................429
BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................... 447