S E T E N A N C I L O A E I D C D A A D I C S R E I V INTRODUCCIÓN L I N B U A U L A LAS OPERACIONES P E D DE SEPARACIÓN Cálculo por etapas de equilibrio A. Marcilla Gomis TEXTOS DOCENTES Edita: Publicaciones Universidad de Alicante ISBN:84-7908-405-7 Depósito Legal:MU-1.148-1998 Edición a cargo de Compobell, S.L.Murcia Reservados todos los derechos.No se permite reproducir, almacenar en sistemas de recuperación de la información ni transmitir alguna parte de esta publicación, cualquiera que sea el medio empleado –electrónico, mecánico, fotocopia, grabación, etc.–, sin el permiso previo de los titulares de los derechos de la propiedad intelectual. Estos créditos pertenecen a la edición impresa de la obra. Edición electrónica: Espagrafic A. Marcilla Gomis Colaboradores: A.Gómez Siurana A.N.García Cortés P.Cayuela Martínez INTRODUCCIÓN A LAS OPERACIONES DE SEPARACIÓN Cálculo por etapas de equilibrio Índice Portada Créditos Prólogo .......................................................................... 8 Tema 1. Operaciones unitarias. Conceptos generales ...................................... 11 Objetivos................................................................ 11 1. Introducción ...................................................... 11 2. Clasificación de las operaciones unitarias......... 13 3. Equilibrio y fuerzas impulsoras......................... 14 4. Operaciones unitarias controladas por la transferencia de materia .......................... 16 5. Operaciones unitarias controladas por transmisión de calor........................................... 31 6. Operaciones unitarias controladas por la transferencia simultánea de materia y calor.. 33 7. Resumen............................................................. 40 Bibliografía............................................................ 43 Índice Tema 2. Equipos para contacto entre fases................ 44 Objetivos................................................................ 44 1. Introducción....................................................... 44 2. Parámetros de diseño......................................... 45 3. Columnas de relleno.......................................... 50 4. Columnas de platos para contacto vapor-líquido...................................................... 64 5. Columnas de relleno frente a columnas de platos. 79 6. Contactores líquido-vapor menos utilizados..... 80 7. Equipo para extracción líquido-líquido ............ 82 Bibliografía............................................................ 88 Problemas............................................................... 88 Tema 3. Equilibrio entre fases. Estimación del equilibrio............................... 95 Objetivos................................................................ 95 1. Introducción....................................................... 96 2. Condiciones termodinámicas de equilibrio ....... 96 3. Regla de las fases de Gibbs ............................... 99 4. Fugacidad. Coeficiente de fugacidad. Actividad. Coeficiente de actividad..................................... 100 Índice 5. Relaciones termodinámicas del equilibrio entre dos fases.................................................... 109 6. Coeficiente de fugacidad de la fase vapor......... 126 7. Coeficientes de actividad en mezclas líquidas . 131 8. Coeficientes de actividad de mezclas sólidas.... 158 Bibliografía............................................................ 159 Problemas............................................................... 160 Tema 4. Equilibrio líquido vapor................................ 171 Objetivos................................................................ 171 1. Introducción....................................................... 171 2. Regla de las fases............................................... 173 3. Mezclas binarias................................................ 173 Bibliografía............................................................ 189 Problemas............................................................... 190 Tema 5. Destilación....................................................... 197 Objetivos................................................................ 197 1. Introducción....................................................... 197 2. Destilación simple abierta diferencial............... 201 3. Destilación simple continua............................... 212 Bibliografía............................................................ 215 Problemas............................................................... 216 Índice Tema 6. Rectificación continua de mezclas binarias en columnas de pisos ..................................... 224 Objetivos................................................................ 224 1. Introducción....................................................... 225 2. Nomenclatura..................................................... 227 3. Deducción de las ecuaciones fundamentales..... 228 4. Posición óptima del piso de alimentación......... 234 5. Método de Sorel................................................. 240 6. Método de Sorel-Lewis ..................................... 245 7. Método McCabe-Thiele..................................... 251 8. Rectificación de mezclas binarias, método de Ponchon y Savarit ........................................ 281 Bibliografía............................................................ 316 Problemas............................................................... 317 A.Marcilla Gomis Introducción a las operaciones de separación Prólogo B asta con consultar algunos de los libros de texto escri- tos sobre Operaciones de Separación para conocer la diversidad de temas que abarca esta materia (no todos los libros de texto tratan todas las operaciones de separación) y los distintos criterios y enfoques utilizados para su presen- tación. Esta obra no pretende ser un sustituto de textos con- vencionales de Operaciones de Separación sino que se pre- senta como una orientación para iniciar el estudio de los fun- damentos de estos procesos. Está dirigida, especialmente, a los alumnos que cursan la asignatura de Operaciones de Separación I del Plan de estudios actual de Ingeniería Química de la Unversidad de Alicante. Su contenido se basa en las notas monográficas y generales, así como los apuntes y notas de otros profesores, centrándose en el tratamiento de las operaciones basadas en la transferencia de materia para el caso de contacto por etapas de equilibrio. ÍNDICE 8 Prólogo Los primeros temas de este texto tienen un carácter general. Así, se comienza con un tema de introducción y conceptos generales, donde se exponen los distintos criterios de clasifi- cación de las operaciones unitarias, describiendo las opera- ciones más convencionales controladas por la transferencia de materia y calor así como los diferentes tipos de contacto entre fases. Se continúa con el desarrollo de un tema dedicado a la descripción de diferentes equipos para el contacto entre fases, familiarizando al alumno con algunos de los dispositivos más frecuentes utilizados en la industria. Posteriormente se inclu- ye un tema dedicado al equilibrio entre fases, tomado en su mayor parte de la obra de Costa Novella. Los temas cuarto y quinto se centran en el estudio de la primera operación selec- cionada, haciendo referencia al proceso de destilación. Finalmente, el sexto tema (el más significativo de la obra y al que se ha dedicado un especial esfuerzo) se dedica a la recti- ficación de mezclas binarias, exponiendo un desarrollo -del que cabría resaltar los métodos gráficos- original de los auto- res. De este modo, la resolución del problema de diseño de columnas de rectificación complejas se presenta de un modo sistemático y generalizado. La exhaustividad con que se des- arrolla este tema, servirá para fijar conceptos e introducir una metodología de trabajo extrapolable a otras operaciones de separación. ÍNDICE 9 A.Marcilla Gomis Introducción a las operaciones de separación La obra incluye una serie de problemas o ejercicios propues- tos al final de cada capítulo y pretende completarse con una segunda parte donde se abordarán otras operaciones unitarias, como la extracción líquido-líquido, la absorción y los proce- sos de interacción aire-agua y secado, así como el contacto continuo entre fases. Es igualmente intención de los autores la edición de un libro de prácticas de laboratorio en relación con estas operaciones unitarias, así como de una colección de pro- blemas resueltos, utilizando básicamente la hoja de cálculo EXCEL. Desde el punto de vista de los autores se trata, más que de un libro de texto, de unas notas de clase, continuamente en fase de elaboración, con una edición algo más cuidada de lo habi- tual hasta ahora. Se trata de una obra totalmente susceptible de modificaciones y actualizaciones sucesivas de planteamien- tos, presentación, nomenclatura, sistemática, metodología, ..., incluso de temas, de modo que contribuyan progresivamente a mejorar el interés y entendimiento de la materia por parte de los alumnos, y que surge con esta vocación de actualización continuada, intentando aprovechar las facilidades que los nue- vos métodos de edición con ayuda del ordenador ponen a nuestro alcance. ÍNDICE 10