Universidad Autnoma del Estado de Mxico

Facultad de Qumica

Programa educativo de Ingeniero Qumico

Resumen de los Libros Ocon Tojo y Reklaitis

Garca lvarez Libia Fernanda

Principios de los Procesos Qumicos

Julin Cruz Olivares

04 de abril del 2014

Unidad cerrillo RESMEN DEL LIBRO OCON-TOJO CAPITULO 6 ABSORCION DE GASES El transporte de materia del componente de la fase gaseosa solubles en el lquido absorbente, desde la fase gaseosa a la liquidaDesorcin: un gas absorbe en un lquido y se separa de aqu por medio de otro gas (no soluble el lquido), el transporte de materia va desde la fase liquida a la gaseosa SOLUBILIDADES Y EQUILIBRIOSAl poner en contacto un gas con un lquido en el que es soluble las molculas del gas pasan a lquido formando una disolucin y al mismo tiempo las molculas disueltas en el lquido tienen a volver a la fase gaseosa, establecindose un equilibrio dinmico La solubilidad del gas en lquido es funcin de la naturaleza de ambos componentes de la temperatura, de la presin parcial del gas en la fase gaseosa y de la concentracin del gas disuelto en el lquido Ley de vanthoff del equilibrio mvil.-Al elevarse la temperatura del sistema en equilibrio se verifica el proceso que va acompaando de absorcin de calor Las solubilidades de gases en lquidos se expresa en diferentes formas: en forma numrica por medio de tablas, en forma de grficas, por coeficientes de la ley de RaoultLey de Raoult: Cuando est en condiciones son ideales sea la disolucin liquida es ideal y la mezcla gaseosa en equilibrio cumple con la ley de gases ideales Velocidades de inundacin: Las velocidades msicas del gas y del lquido influyen sobre la altura necesaria del relleno de tal manera que al aumentar estas velocidades disminuye la altura necesaria de rellene para lograr una separacin determinadaLa velocidad de inundacin se calcula:

La cantidad de sustancia transportada por unidad de tiempo y de rea de contacto ente fases, ser proporcional al potencial del proceso de difusin e inversamente proporcional a la resistencia de difusin

La cantidad de sustancia transportada, por unidad de tiempo y por unidad de rea de contacto entre fases, aparece as en funcin de la resistencia total y del potencial global de difusin, expresado en unidades de fase gaseosa

La cantidad de lquido empleado se deduce por el balance de materiaEl factor de absorcin ser: A=L/ (GH)Altura equivalente a un plato terico: HETP=3/7.75= 0.38m Considerando en primer lugar las relaciones existentes entre las alturas de los elementos de transmisin individuales y globales. La resistencia al transporte de materia en la absorcin y desorcin es igual a la suma de las resistencias debidas al gas y al lquido.Al igualarlas se obtienen:Clculo de HL-Sherwood y Halliday dan la siguiente solucin emprica para su clculo:

Donde

La Cantidad total de corriente gaseosa que entran al sistema:

La densidad media que entra del gas que entra al sistema: Po= Kg/m3

En consecuencia:Para los anillos cermicos Raschig de el valor de Ar/E, por consiguiente:

Dimetro: Clculo de altura de del relleno se hace teniendo en cuenta el tipo de disoluciones diluidas: Fellinger propone la siguiente ecuacin:

Ejemplo: en una torre de absorcin se trata una mezcla gaseosa que contiene un gas soluble en el lquido absorbente en las condiciones de operacin las composiciones de equilibrio vienen dadas por la expresin:

Y=0,66xSiendo x e y las relaciones morales de componentes soluble a componente inerte en las fases liquida y gaseosa, respectivamente. Especialmente se ha encontrado que las composiciones extremas son

Calclese:1. El nmero de etapas tericas1. El nmero de elementos de transmisin1. La altura de relleno si HL=25 cm y HG=35 cm

La relacin de equilibrio entre fases para este sistema bien dada por la ley de Henry:P=495xLa relacin del equilibrio para un gas que cumple la ley de Henry viene dada por la expresin PA=HCASiendo PA la presin parcial del soluto en la fase gaseosa en mm de Hg, y CA la concentracin del soluto en la fase liquida en gramos del soluto/100 g de disolvente. Comprubese que para expresar la relacin del equilibrio en la formaYa =mxASiendo Xa e Ya las fracciones molares del soluto e la fase liquida y en la fase gaseosa en equilibrio, m ha de venir dada por M=100MAH760pMg (1-XA)

Siendo MA la masa molecular del soluto: Mg la mesa molecular del disolvente: H, el coeficiente de la ley de Henry: P, la presin total en atm, y XA, la fraccin molar del soluto en el lquido.La relacin del equilibrio para la solubilidad el amoniaco en agua en el intervalo de composiciones correspondientes a este problema viene dada por la expresin P=1,414xSiendo p la presin parcial del amoniaco en la fase gaseosa en atm, y x la concentracin de amoniaco en la fase liquida en fracciona molar.

CAPITULO 7: Extraccin lquido-lquido.La extraccin lquido-lquido consiste en la separacin de los constituyentes de una disolucin liquida por contacto con otro liquido inmiscible que disuelve preferentemente a uno de los constituyentes en la disolucin original, dando lugar a la aparicin de dos capas liquidas inmiscibles de diferentes densidades.La disolucin a tratar se denomina alimentacin, recibiendo el nombre de disolvente el lquido que se pone en contacto con ella. Despus del contacto entre la alimentacin y el disolvente se obtienen dos fases liquidas denominadas: extracto y refinado. Separando el disolvente del extracto y del refinado se obtienen el producto extrado y el producto refinado. Como lo que se pretende en la extraccin es dividir la disolucin liquida original en un producto extrado y en un producto refinado, es fundamental la separacin del disolvente aadido a la disolucin. Equilibrio de extraccin: Llamamos coeficiente de distribucin o coeficiente de reparto de un componente i entre las dos fases liquidas separadas a la relacin entre las concentraciones que alcanza ese componente en ambas fases de equilibrios: Ki=Ce/Cr. Este coeficiente de distribucin de los componentes de la mezcla a separar depende del disolvente empleado, de la composicin de la mezcla y de la temperatura de operacin.Representacin grfica de sistemas ternarios: a.-) tringulo equiltero.- en este diagrama los vrtices representan los componentes puros; sobre cada lado se representan las mezclas binarias de los componentes que se encuentran en los vrtices correspondientes a ese lado, y cualquier punto del interior representa una mezcla ternaria, de tal modo que la cantidad relativa de cada componente en la mezcla es proporcional a la distancia al lado opuesto.Teniendo en cuenta que la suma de esas distancias es igual a la altura del tringulo, el cociente de cada una por la suma representara la cantidad relativa del componente con respecto a la mezcla.

Como principio fundamental de la extraccin hemos indicado que la adicin del disolvente ha de originar la separacin de dos fases liquidas. Consideramos que el disolvente B sea parcialmente miscible con uno de los constituyentes de la mezcla a separar y totalmente miscible en el otro componente; en el vrtice superior situaremos el punto C miscible con B y en el vrtice inferior izquierdo situaremos el componente A parcialmente miscible en B. Este tipo de sistema formado por dos sistemas binarios completamente miscibles y un sistema vinario parcialmente miscible en el que se presenta con ms frecuencia en la extraccin liquido-liquido, denominndose sistema del tipo 3,1 (3 componentes y 1 sistema binario).

B.-) Triangulo rectngulo: en este diagrama se representa en abscisas la concentracin (fraccin molar o porcentaje en peso) del componente B y en ordenadas la composicin del componente C. Las propiedades fundamentales son anlogas a la representacin en el tringulo equiltero, y presenta la ventaja sobre aquel de que puedan cambiarse las escalas de los ejes de las abscisas y ordenadas.

c.-) Diagrama de distribucin de equilibrio: en este diagrama rectangular se representa en abscisas la composicin porcentual del soluto en el refinado, y en ordenadas la composicin porcentual del soluto en el extracto el equilibrio con aquel, tomando ambas composiciones de los extremos de las rectas de reparto.

En el caso de aquel coeficiente de distribuciones xx/xy del componente C respecto al extracto y al refinado sea mayor que la unidad, la curva est por encima de la diagonal, y en este caso est por debajo.Este diagrama indica directamente la distribucin del soluto en el extracto y en el refinado para todas las concentraciones y resulta de gran utilidad para estudiar comparativamente el empleo de distintos disolventes en el proceso de extraccin.

d.-) Diagrama de selectividad: en este diagrama se representa en abscisas la composicin del soluto en el refinado libre de disolvente Xr=C/(A+C), y en ordenadas la composicin del soluto en el extracto en equilibrio con aquel, calculada sobre la misma base, Xe= (C/(A+C). Este diagrama tiene gran importancia en extraccin debido a que la selectividad es el factor ms importante a considerar en la eleccin del disolvente; entendindose que un disolvente es selectivo para un componente de la alimentacin cuando la proporcin entre dicho componente y el otro es mayor en el extracto que en el refinado.

e.-) Diagrama concentracin-contenido en disolvente: En este diagrama se representa en ordenadas el contenido en disolvente del extracto y del refinado, B/(A+C), frente a la concentracin del soluto, C/(C+A) expresadas sobre base libre del disolvente.

Interpolacin de rectas de reparto.- Para efectuar los clculos de extraccin sobre los diagramas anteriores, es necesario disponer de algn mtodo que permita trazar rectas de reparto por cualquier punto de la curva binodal, interpolando entre las determinadas experimentalmente.Mtodos de clculo:En todas nuestras consideraciones supondremos que:1.-) En cada etapa se realiza el contacto entre la alimentacin y el disolvente.2.-) Las etapas son tericas o ideales, es decir, que se alcanza el equilibrio entre el extracto y el refinado.3.-) Hay separacin de las fases formadas.4.-) Se recupera el disolvente.Los mtodos de clculo del nmero de etapas dependen de los mtodos de contacto empleados en el proceso de extraccin. Consideremos los siguientes: A.-) Contacto sencillo (Discontinuo): Disolvente parcialmente miscible con uno de los componentes de la alimentacin y totalmente miscible con el otro. El esquema de lujo corresponde a una etapa en contacto sencillo, en la que F es la cantidad de alimentacin a tratar, B es la cantidad de disolvente y x e y las concentraciones de la alimentacin, refinado y extracto, referidas al componente C o soluto.

B.-) Contacto mltiple en contracorriente (continuo o discontinuo): Este metodo de extraccion consiste en la reparticin del proceso para una etapa en contacto sencillo.En la figura se representa esquematicamente el diagram de flujo para cada caso, en donde el refinado procedente de la primera etapa se pone nuevamente en contecto con un nuevo disolvente en la segunda etapa.

C.-) Contacto mltiple en contracorriente (continuo): El esquema de flujo para este sistema de extraccion es el indicado en la figura. La alimentacin y el disolvente entran por extremos opuestos del sistema extractor, de modo que la alimentacin se pone en contacto en la primera tapa con el disolvente ya concentrado en soluto, mientras que los refinados procedentes de esta tapa (cuya concentracin en soluto se va empobreciendo de tapa en tapa) se tratan con disolvente cada vez menos concentrado en soluto.

D.-) Contacto mltiple en contracorriente, con reflujo (continuo): El esquema general para este tipo de extraccin es el indicado en la figura y su representacin sobre la columna de extraccin es correspondiente. La alimentacin F entra en la columna por un punto intermedio, saliendo del producto extrado E por la parte superior y el producto refinado R por la inferior.

CAPTULO 8 : Extraccin solido-liquidoLa extraccin solido-liquido se refiere a la dilucin de un componente que forma parte de un slido empleando un disolvente en el que es insoluble el resto del solido que se denomina como inerte. Para el desarrollo de este proceso es necesario:1) Contacto del disolvente para disolver el componente soluble, o soluto.2) Separacin de la disolucin y el resto del slido .la disolucin separada se llama flujo superior o extracto y el refinado que es flujo inferior o lodos.La cantidad de soluto que puede disolverse estar limitada por la saturacin de la disolucin que est en funcin de la temperatura y la presin, el diagrama que se muestra puede dividirse en dos zonas una de saturacin y otra de no saturacin. En la primera, los slidos contenidos en los sistemas ser la suma de la sustancia inerte y la parte no disuelta del slido. En el diagrama (fig.8.1) el punto Ysat es la concentracin de la disolucin saturada

Y sobre la recta IYsat estarn las mezclas de solido inerte y solucin saturada, a la izquierda las disoluciones no saturadas y a la derecha la disolucin saturada acompaada de solido inerte y soluto no disuelto.Cuando el soluto esta originalmente en fase liquida puede ocurrir que el soluto y el disolvente sean miscibles en todas las proporciones todos los puntos de la hipotenusa representaran sistemas de una sola fase liquida y el interior del tringulo representara una zona no saturada.En la figura 8-2 se divide en tres zonas I y III estarn constituidas por una fase liquida no saturada y solido inerte, y en la II estar formada por solido inerte y dos fases liquidas de composiciones (y1) y (Y2).

En el caso de que la disolucin retenida por el slido inerte tenga la misma composicin que la disolucin correspondiente al flujo superior.Las ordenadas en kilogramos de inerte/ kilogramos de disolucin, y en abscisas kilogramo de soluto/ kilogramo de disolucin. En el diagrama para la sustancia a tratar exenta de disolvente. El disolvente puro tendr valor cero de abscisa y ordenada (fig. 8-4).

Si el slido inerte (se ha extrado todo el soluto) en contacto con la disolucin (soluto y disolvente). Si se deja sedimentar el sistema, la disolucin que se puede separar vendr representada por un punto E1 y los sedimentos o lodos que contienen al solido inerte y la disolucin retenida vendr representada por un punto R1; la recta E1R1 ser una recta de reparto que une los lodos o flujo interior. Si el sistema no ha sedimentado tiempo suficiente para que pueda separarse una disolucin clara o si el slido inerte se disuelve parcialmente, las disolucin correspondientes a los flujos superiores estarn representadas por puntos tales como E1 y los lodos o flujo inferior por puntos tales como el R1.

La disolucin retenida por unidad de solido inerte vendr representada por la curva KG que se determina experimentalmente. Si la disolucin retenida por unidad de solida inerte es constante e independiente de la concentracin. Cuando todo el soluto esta en disolucin y la disolucin retenida por el slido inerte tiene la misma composicin que la disolucin del flujo superior.

Contacto sencillo: un esquema de flujo para una etapa de contacto sencillo es el indicado en la figura 8-5, se trata de una operacin discontinua que consiste en poner en contacto ntimo toda la alimentacin con todo el disolvente a emplear, separando despus la disolucin formada del solido inerte con la disolucin retenida.

La representacin de las diferentes corrientes sobre el diagrama triangular se indica en la figura 8-6.por aplicacin de balances de materia resulta: En este mtodo de extraccin no se emplea en escala industrial porque se obtienen disoluciones muy diluidas con pequeo rendimiento de extraccin.Contacto mltiple en corriente directa:Este mtodo consiste en la reparticin del procedimiento empleado para una etapa en etapas sucesivas que se refiere a subdividir la cantidad total de disolvente en varias fracciones, empleando una fraccin de disolvente en cada etapa. El diagrama de flujo es el indicado en la figura 8.9.

El flujo inferior o refinado procede de la primera etapa se pone en contacto con nuevo disolvente en la segunda, separndose en un extracto y un refinado, este refinado se vuelve aponer en contacto con un nuevo disolvente en la tercera etapa y as varias veces; con este mtodo se mejora el rendimiento con respecto al contacto sencillo, en la industria se utiliza muy poco y sus disoluciones resultan diluidas.Contacto multiple en contracorriente:Diagrama de flujo para este tipo de extraccion en la que la alimentacion y el disolvente entran por lados opuestos al sistema figura 8-12.

Este tipo de extraccion solido-liquido es el mas utilizado en la practica industrial el flujo inferior o el refinado se van empobreciendo en soluto desde la primera etapa, mientras qe el flujo superior o extracto se va concentrando en soluto desde la primera hasta la ultima etapa.El balance de materia total:

El punto de la mexcla M, se encuentra sobre la recta FD, si se emplea disolvente puro su abscisa sera:

Sin embargo las rectas R1En y DF se cortan en el punto M que nos sirve para localizar el puto En una vez situado en M, por la interseccion de la recta R1M1 con la hipotenusa del triangulo. La ecuacion anterior puede escribirse como:

Que nos indica que la diferencia entre la entrada y la salida de los flujos es constante El punto P ( polo o punto de operacin), se localiza en la interseccion de las rectas EnF y DR1. Las rectas PE de operacin intersectan en la hipotenusa y en la curva del flujo inferior que representan el extracto y el refinado de dos etapas.La recta EnI corta ala curva del flujo inferior en el punto Rn si se alcanza el equilibrio a una etapa ideal; el punto Rn se localiza por la interseccion con la curva del flujo inferior de la recta de reparto que pasa por En la recta PRn corta la hipotenusa del triangulo en el punto En-1; la recta que pasa por En-1 nos permite localizar a Rn-1. Conociendo las composiciones de las corrientes extremas se puede calcular el numero de etapas como se observa en la figura 8-13. Lo primero es situarse en el P polo en la interseccion de rectas que pasan por xFyNY por x1yDla composicion xn del flujo inferior se encuentra en la interseccion de la recta de reparto que pasa por yn con la curva KE. La composicion de yn-1 del flujo superior estra en la interseccion de la recta PXn-1 con la hipotenusa y asi sucesivamente hasta alcanzar x1 del refinado de la primera etapa. La relacion entre el disolvente/alimentacion se puede calcular por la regla de la palanca

Metodos analiticos:Los metodos analitcos Baker, McCabe y Smith se utilizan para la resolucion de problemas de extraccion solido-liquido en multiples etapas en contracorriente, se basa suponiendo que en cada etapa la composicion de la disolucion retenida por el solido es igual al flujo superior y que la relacion disolvente /inerte es constante en todos los refinados:

Siendo:

En el caso particular de que el disolvente no contenga soluto ( WD=0), la ecuacin anterior se transforma en:

En el caso de que en el refinado permanezca constante la relacin disolvente/solido inerte (en lugar de disolucin/sol. Inerte) se emplean las mismas ecuaciones sustituyendo a a por a y an por an que vendrn dadas en:

Mtodo de McCabe y Smith: permite calcular el nmero de etapas de las concentraciones de las disoluciones. Si es constante la relacin disolucin retenida/sol. Inerte:

Siendo:Yf: composicin de la alimentacinX1 y Xn: las composiciones del refinado en la primera y ltima etapa, respectivamente (Kg soluto/Kg disolucin.)

Cuando lo que permanece constante es la relacin disolvente retenido/sol. Inerte se emplea la misma ecuacin, expresando las concentraciones del extracto y del refinado en Kg soluto/Kg disolvente.

RESUMEN DEL LIBRO REKLAITIS CAPITULO 8 : Sistemas ReaccionantesSe sabe que cuando se mezclan dos sustancias puras a una presin y temperatura dadas se tiene una ecuacin para la entalpa de la siguiente manera: Considerando que cierta reaccin ocurre a ciertos valores de temperatura y presin, supongamos que se forma una mezcla con la combinacin del nmero de moles de cada reactivo (cada una de ellos en una fase y todos a la misma T y P). Dicha mezcla reacciona completamente para formar una mezcla de productos en donde se afirma que la sumatoria de la entalpa de reactivos de la mezcla difiere de la sumatoria de entalpa de productos de la mezcla.

La diferencia anterior tambin es conocida como calor de reaccin de la reaccin. Tambin se puede representar de la siguiente manera: El calor de reaccin no slo depender de la estequiometria de la reaccin, temperatura y presin; sino tambin de las fases en las que se manejen tanto los productos como los reactivos. Es por lo mismo muy importante que al momento de expresar cualquier ecuacin estequiometria de reaccin se especifique la fase en la que se encuentra cada sustancia. Correccin de HR para T, P y fase. Por definicin el calor para una reaccin a una T, P y fases especificadas es:Por lo tanto, teniendo cualquier otro valor de P, T y fases para el clculo de calor de reaccin se pueden realizar correlaciones para la obtencin de la entalpa de los componentes.

Calor de formacin. Calor de reaccin estndar: Calor de una reaccin en la cual todos los reactivos y productos se encuentran en su estado estndar. Reaccin de formacin para la sustancia s: La reaccin qumica balanceada. Calor de formacin de la sustancia s: Calor de la reaccin estndar para la reaccin de formacin de las mismas sustancias. Calor de combustin. Esta es otra categora de las reacciones estndar para los calores de reaccin. Dicho conjunto de reacciones se utiliza principalmente para compuestos orgnicos en lugar de las reacciones de formacin. Reaccin de combustin estndar: Es aquella en la que un mol de la sustancia se oxida por completo hasta los xidos estables (CO2, H2O, SO2) con una cantidad estequiometria de Oxgeno.

BALANCES DE ENERGA CON REACCIN QUMICA NICAEntrada y salida nica. Considerando un reactor con una corriente nica tanto de entrada como de salida, n componentes y una reaccin qumica nica. Despreciando las energas cintica y potencial, el desempeo de trabajo y considerando mezclas ideales; obtendramos una ecuacin para el balance de materia de la siguiente manera:

Suponiendo que se selecciona un estado de referencia definido por cierta T, P y fase para cada componente; y que se suman y restan a la ecuacin de balance dichos trminos obtenidos respectivamente. El balance de energa queda entonces de la siguiente manera:

Para un caso reaccionante tenemos que, y al sustituir esta expresin se elimina un trmino de la ecuacin de balance. Haciendo las sustituciones correspondientes y tomando el concepto de la ecuacin de calor de reaccin, el balance queda as:

La ecuacin anterior es el balance de energa para un sistema con reaccin nica y corrientes nicas de entrada y salida. El primer trmino refleja los cambios de entalpa debidos a la reaccin qumica (es proporcional a la velocidad de reaccin). Los otros 2 trminos son las entalpas sensibles de las corrientes de entrada y salida respectivamente.

La ecuacin tambin puede extenderse a corrientes mltiples repitiendo el desarrollo correspondiente y utilizando la forma general de la ecuacin de balance. La ecuacin quedara entonces de la siguiente manera:

BALANCE DE ENERGA PARA REACCIONES MULTIPLESComo ya sabemos, es posible manejar las reacciones mltiples sustituyendo la velocidad de produccin de un componente Rs con una sumatoria. Por lo tanto, la forma de calor de reaccin de la ecuacin de balance para reacciones mltiples contendr un trmino en el que aparezcan las velocidades de todas las reacciones. El balance de energa para llegar a la forma requerida se efecta de manera muy similar al caso de una reaccin nica y queda de la siguiente manera:

BALANCES DE ENERGA CON ESTEQUIOMETRA DESCONOCIDAEn caso de que tengamos un caso en donde debido a la composicin desconocida de los reactivos sea inconveniente utilizar los balances de energa, nos enfocaremos en los balances elementales. Para materiales complejos, en especial para los combustibles fsiles, efectuaremos un experimento de combustin para medir el valor alto de calentamiento (high heating value) Qv; esta cantidad a veces es la nica forma disponible de informacin de calores de formacin para combustibles fsiles. Valor alto de calentamiento: Calor desprendido por unidad de masa de combustible cuando se hace reaccionar oxgeno para formar un residuo slido, agua lquida y los productos gaseosos.