McCABE, W.L., SMITH, J.C. y HARRIOT, P. Operaciones Básicas de Ingeniería Química. Madrid. McGraw-Hill, 1991. PDF

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Wkren L, McCabe -Julian C. Smith - Peter Harriott OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERIA QUIMICA Cuarta edición Warren L. McCabe North Carolina State University Julian C. Smith Cornell University Peter Harriott Cornell University Revisión técnica de la traducción Elita Guardiola Formento Fernando Mirad...

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Wkren L, McCabe -Julian C. Smith - Peter Harriott

OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERIA QUIMICA Cuarta edición Warren L. McCabe North Carolina State University

Julian C. Smith Cornell University

Peter Harriott Cornell University

Revisión técnica de la traducción Elita Guardiola Formento Fernando Mirada Coronel Carlos Negro Alvarez Mercedes Oliet Pala Francisco Rodríguez Somolinos

McGraw-Hill MADRID l BUENOS AIRES l CARACAS. GUATEMALA l LISBOA l MEXICO NUEVA YORK. PANAMA l SAN JUAN l SANTAFE DE BOGOTA. SANTIAGO l BAO PAULO AUCKLAND l HAMBURGO l LONDRES l MILAN l MONTREAL l NUEVA DELHl PARIS. SAN FRANCISCO l SIDNEY l SINGAPUR l ST. LOUIS l TOKIO l TORONTO

OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERIA QUIMICA. Cuarta edición No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright. DERECHOS RESERVADOS 0 1991, respecto a la primera edición en español, por McGRAW-HILLPNTERAMERICANA DE ESPAÑA, S. A. U. Edificio Valrealty, l.a planta Basauri, 17 2 8 0 2 3 Aravaca (Madrid) Traducido de la cuarta edición en inglés de Unit Operations of Chemical Engineering Copyright 0 MCMLXXXV, por McGraw-Hill, Inc. ISBN:

0-07-044828-O

ISBN: 84-481-1918-5 Depósito legal: M. 720-1998 Cubierta: Félix Piñuela. Grafismo electrónico Compuesto en: MonoComp, S. A. Impreso en: EDIGRAFOS, S. A. IMPRESO EN ESPAÑA - PRINTED IN SPAIN

CONTENIDO Prólogo Sección 1

vii

Introducción

1

Definiciones y fundamentos

3

Mecánica de fluidos

23 25 41 63

6 7 8 9

Estática de fluidos y sus aplicaciones Fenómenos de flujo de fluidos Ecuaciones unitarias en el flujo de fluidos Flujo de los fluidos no compresibles en conducciones y capas delgadas Flujo de fluidos compresibles Flujo de fluidos alrededor de cuerpos sumergidos Transporte y medida de fluidos Agitación y mezcla de líquidos

83 122 147 188 242

Sección 3

Transmisión de calor y sus aplicaciones

295

Transmisión de calor por conducción en sólidos Fundamentos del flujo de calor en fluidos Transmisión de calor en fluidos sin cambio de fase Transmisión de calor en fluidos con cambio de fase Transmisión de calor por radiación Equipo para intercambio de calor Evaporación

299 321 343 389 414 445 482

Transferencia de materia y sus aplicaciones

521

Operaciones de etapas de equilibrio Destilación Lixiviación y extracción Introducción a la destilación multicomponente Fundamentos de la difusión y de la transferencia de materia entre fases Absorción de gases Operaciones de humiditicación Adsorción Secado de sólidos

529 550 618 651

1

Sección 2 2 3 4 5

10 11 12 13 14 15 16

Sección 4 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Sección 5 26 27

678 717 767 797 821

Operaciones en las que intervienen partículas de sólidos

867

Propiedades y tratamiento de partículas sólidas Reducción de tamaño

869 890

vi

CONTENIDO 28 29 30

Apéndice 1 2

7 8 9 10 ll

12 13 14 15

16 17 18 19 20 21 22

Cristalización Mezclado de sólidos y pastas Separaciones mecánicas

925 968 987

Apéndices

1059

Prefijos Cgs y SI para múltiplos y submúltiplos Valores de la constante de los gases Factores de conversión y constantes universales Análisis dimensional Grupos adimensionales Dimensiones, capacidades y pesos de tuberias normalizadas de acero Datos sobre tubos de condensadores y cambiadores de calor Propiedades del vapor de agua saturado y del agua Viscosidad de gases Viscosidad de líquidos Conductividad calorifica de metales Conductividad calorífica de gases y vapores Conductividad calorifica de líquidos distintos del agua Propiedades del agua líquida Calores específicos de gases Calores especificos de líquidos Números de Prandtl para gases a 1 atm y 100 ° C Números de Prandtl para líquidos Difusividades y números de Schmidt para gases en aire a 0 ° C y 1 atm Escala de tamices estándar y Tyler Constantes de equilibrio (valores K) para sistemas de hidrocarburos ligeros. Correlación generalizada, intervalo de baja temperatura Constantes de equilibrio (valores K) para sistemas de hidrocarburos ligeros. Correlación generalizada, intervalo de alta temperatura

1061 1062 1063

Indice

1065

1071 1073 1074 1075 1077 1079 1081 1082 1083 1084 1085 1086 1087 1088 1089 1090 1092 1093 1095

PROLOGO

Este libro es un texto de iniciación a las operaciones unitarias en ingeniería química. Ha sido escrito para estudiantes no graduados que han completado los cursos normales de matemáticas, fisica, química y una introducción a la ingeniería química. Se supone que 10s estudiantes poseen un conocimiento elemental de balances de materia y energía, así como de los principios de termodinámica. Tanto en la estructura como en el nivel de tratamiento, esta edición revisada sigue el modelo de ediciones anteriores. Se dedican capítulos separados a cada una de las operaciones, que se agrupan en cuatro secciones fundamentales: mecánica de fluidos, transmisión de calor, etapas de equilibrio y transferencia de materia, y operaciones en las que intervienen partículas sólidas. Cursos de un cuatrimestre o de un semestre pueden basarse en cualquiera de estas secciones o en combinaciones de las mismas. Los límites del libro están fijados por el espacio y el nivel del tratamiento. Muchas de las operaciones menos convencionales, tales como separaciones con membranas, molienda coloidal, congelación y métodos especializados de separaciones mecánicas, se han omitido por motivos de espacio. Otros temas importantes se han dejado fuera debido a que un adecuado tratamiento de los mismos aumentaría el nivel del libro hasta un punto inaccesible para la mayor parte de los estudiantes no graduados. Por estas razones, el flujo de dos fases, los modelos de flujo tridimensional, los efectos eléctricos y magnéticos, así como las separaciones multicomponentes, o bien se han omitido o se tratan tan sólo ligeramente. Se ha hecho un esfuerzo por mantener un nivel de tratamiento uniforme a lo largo de todo el libro. Puesto que, de una forma casi general, los estudiantes de ingeniería química siguen un curso de balances de materia y energía durante el primer o segundo año, el material sobre estos temas se ha,suprimido casi totalmente del Capítulo 1. La termodinámica también se cubre por otros cursos de ingeniería química y, en consecuencia, se ha omitido un capítulo sobre equilibrio entre fases, si bien en

... VIII

PROLOGO

otros capítulos se ha incluido algo sobre los diagramas de fases que se requieren para el tratamiento de diferentes separaciones. Ya no se incluye el método de Ponchon para la estimación de etapas de equilibrio, puesto que raramente se utiliza en la práctica; para separaciones sencillas resulta totalmente adecuado el método de McCabe-Thiele y para separaciones más complejas se utilizan procedimientos de cálculo con ordenador. Se ha incorporado un nuevo capítulo sobre absorción, una operación que está ganando importancia, especialmente en el control de la contaminación. Se ha introducido nuevo material sobre fluidización, transmisión de calor en lechos de relleno, filtros de clarificación, y sobre muchas otras materias. Los capítulos sobre destilación, absorción de gases y secado se han reorganizado totalmente. La simulación por ordenador se trata en las áreas de destilación de sistemas multicomponentes y en la reducción de tamaños de sólidos. Todo el tratamiento se ha revisado y puesto al día de acuerdo con los conocimientos actuales. Los sistemas de unidades se tratan en el Capítulo 1. La conversión a unidades SI dista mucho de ser completa en la práctica de ingeniería, y una gran parte de la información disponible está dada en unidades fps o cgs. Por tanto, el ingeniero debe estar familiarizado con los tres sistemas de unidades, y todas ellas se utilizan en este libro, con especial énfasis en los sistemas SI y fps. Como podrá apreciarse, la gran mayoria de ecuaciones y correlaciones son adimensionales y pueden utilizarse con cualquier conjunto de unidades consistentes. Los problemas propuestos al final de los capítulos totalizan un número de 239, de los cuales 85 son nuevos en esta edición. Su dificultad es variable, pero todos ellos están basados en material de este libro, de forma que prácticamente todos se pueden resolver sin utilizar otras fuentes de información. La mayoria se pueden resolver con ayuda de una calculadora manual, y solamente unos pocos del Capítulo 27 sobre reducción de tamaños requieren programas de cálculo para su resolución. El autor de más edad, el doctor Warren L. McCabe, murió en agosto de 1982, cuando la preparación de esta edición se encontraba aproximadamente por la mitad. El contribuyó mucho a la primera parte de esta edición y estaba totalmente de acuerdo sobre los cambios a realizar en los demás capítulos. Este libro está dedicado a su memoria. JULIAN C. SMITH PETER HARRIOTT

:

SECCION

UNA

INTRODUCCION

CAPITULO

UNO

DEFINICIONES Y FUNDAMENTOS

La ingeniería química trata de procesos industriales en los que las materias primas se transforman o separan en productos útiles. El ingeniero químico tiene que desarrollar, diseñar y llevar a cabo el proceso, así como el equipo utilizado en el mismo. Tiene que elegir las materias primas adecuadas y hacer operar las plantas con eficacia, seguridad y economía, teniendo en cuenta que sus productos han de cumplir las condiciones exigidas por los consumidores. Lo mismo que la ingeniería en general, la ingeniería química es también un arte y una ciencia. El ingeniero utilizará la ciencia siempre que le permita resolver sus problemas. Sin embargo, en la mayor parte de los casos, la ciencia no es capaz de proporcionarle una solución completa, y entonces tendrá que recurrir a la experiencia y a su buen criterio. Su capacidad profesional depende de esta habilidad para combinar todas las fuentes de información con el fin de obtener soluciones prácticas a los problemas que se le presenten. La amplitud y variedad de los procesos e industrias que reclaman los servicios de los ingenieros químicos son muy grandes. Los procesos descritos en los tratados de tecnología química e industrias de proceso permiten tener una idea bastante completa del campo que abarca la ingeniería química6t. Debido a la variedad y complejidad de los procesos modernos no resulta práctico abarcar toda la materia que comprende la ingeniería química bajo una sola denominación, sino que se divide arbitrariamente en una serie de sectores adecuados. Este libro comprende la parte de ingeniería química que se conoce con el nombre de operaciones unitarias. OPERACIONES

UNITARIAS

Un método muy conveniente para organizar la materia de estudio que abarca la ingeniería química se basa en dos hechos: (1) Aunque el número de procesos t Los superíndices numéricos que aparecen en el texto corresponden a las referencias bibliográficas numeradas que figuran al final de cada capítulo. .

4

OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERIA QUIMICA

individuales es muy grande, cada uno de ellos puede dividirse en una serie de etapas, denominadas operaciones, que se repiten a lo largo de los distintos procesos. (2) Las operaciones individuales poseen técnicas comunes y se basan en los mismos principios científicos. Por ejemplo, en la mayor parte de los procesos es preciso mover sólidos y fluidos, transmitir calor u otras formas de energía desde una sustancia a otra, y realizar operaciones tales como secado, molienda, destilación y evaporación. El concepto de operación unitaria es el siguiente: mediante el estudio sistemático de estas operaciones en sí -operaciones que evidentemente constituyen la trama de la industria y los procesos- se unifica y resulta más sencillo el tratamiento de todos los procesos. Los aspectos estrictamente químicos de los procesos se estudian dentro de un campo paralelo de la ingeniería química denominado cinética de reacción, o ingeniería de las reacciones químicas. Las operaciones básicas se utilizan ampliamente en la realización de las etapas físicas de preparación de los reactantes, separación y purificación de los productos, recirculación de los reactantes no convertidos y control de la transferencia de energía hacia o desde los reactores químicos. Las operaciones unitarias son igualmente aplicables a procesos fisicos y químicos. Por ejemplo, la fabricación de sal común consta de la siguiente serie de operaciones básicas: transporte de sólidos y líquidos, transmisión de calor, evaporación, cristalización, secado y tamizado. En este caso no intervienen reacciones químicas. Por otra parte, el cracking de petróleo, con o sin catalizadores, es una típica reacción química realizada a gran escala. También aquí las operaciones unitarias -transporte de sólidos y fluidos, destilación y diversas separaciones mecánicas- son de una importancia vital y la reacción de cracking no podría realizarse sin ellas. Las etapas estrictamente químicas se llevan a cabo controlando el flujo de materia y energía hacia y desde la zona de reacción. Puesto que las operaciones básicas son una rama de la ingeniería, éstas se basan igualmente en la ciencia y la experiencia. Hay que combinar la teoría y la práctica para diseñar el equipo, construirlo, montarlo, hacerlo funcionar y conservarlo. Para un estudio equilibrado de cada operación es preciso considerar conjuntamente la teoría y los aparatos, lo cual constituye el objetivo de este libro. Fundamentos científicos de las operaciones unitarias. Diversas técnicas y principios científicos son fundamentales para el estudio de las operaciones básicas. Algunos de ellos son leyes elementales de fisica y química, mientras que otros corresponden a técnicas especiales que resultan particularmente útiles en ingeniería química. Se supone que el lector está familiarizado con los principios elementales, de los cuales se hace aquí solamente un breve resumen a título informativo. A las técnicas especiales se les dedica en este capítulo un tratamiento más amplio. En los lugares adecuados del libro se consideran otros aspectos de la ingeniería. SISTEMAS DE UNIDADES El sistema internacional oficial de unidades es el sistema SI (Système International d’unités); se realizan grandes esfuerzos para su adopción universal como

DEFINICIONES

Y

FUNDAMENTOS

5

único sistema, tanto para las materias de ingeniería como científicas, pero los sistemas antiguos, especialmente el sistema cgs y el de ingeniería gravitacional fps, todavía se usan y probablemente seguirán utilizándose durante algún tiempo. El ingeniero químico encuentra muchos datos fisicoquímicos expresados en unidades cgs, muchos de los cálculos se realizan de una forma más conveniente en unidades fps; por otra parte, las unidades SI alcanzan un uso creciente, tanto en ciencia como en ingeniería. Por tanto, es necesario estar familiarizado con el manejo de estos tres sistemas. En el tratamiento que sigue se estudia primeramente el sistema SI y posteriormente se derivan los demás sistemas a partir de él. Sin embargo, el proceso histórico ha sido el contrario, ya que las unidades SI han evolucionado a partir del sistema cgs. Debido a la creciente importancia del sistema SI, debiera tener lógicamente la preferencia; si, con el tiempo, los demás sistemas quedan desfasados, se podrían ignorar y utilizar entonces exclusivamente el sistema SI. Magnitudes físicas Toda magnitud fisica consta de dos partes: una unidad, que expresa la magnitud de que se trata y da la norma para su medida, y un número que indica cuántas unidades se necesitan para completar la magnitud. Por ejemplo, la afirmación de que la distancia entre dos puntos es 8 pies expresa lo siguiente: que se ha medido una determinada longitud; que para medirla se ha tomado una cierta longitud de referencia llamada pie; y que para cubrir la distancia desde un extremo hasta el otro se necesitan 8 unidades de 1 pie. Si un número entero de unidades resulta demasiado grande o demasiado pequeño para cubrir una determinada distancia, se definen submúltiplos, que son fracciones de la unidad, de forma que la medida se puede realizar con cualquier grado de precisión en función de unidades fraccionarias. Ninguna magnitud fisica está definida mientras no estén dadas tanto el número como la unidad. Unidades SI El sistema SI cubre todo el campo de la ciencia y la ingeniería, incluyendo electromagnetismo e iluminación. Para los fines de este libro es suficiente un subconjunto de unidades SI comprendiendo química, fuerzas gravitatorias, mecánica y termodinámica. Las unidades son deducibles de: (1) cuatro proporcionalidades de química y física, (2) referencias arbitrarias de masa, longitud, tiempo, temperatura y el mol, y (3) elecciones arbitrarias para los valores numéricos de dos constantes de proporcionalidad. Ecuaciones unitarias. Las proporcionalidades unitarias, escrita cada una como una ecuación con su propio factor de proporcionalidad, son F = k, ; (mu)

(1.1)

6

OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERIA QUIMICA

F=k,y

(1.2)

Q, = kîK

(1.3)

T = k 4 lím e p-0

donde?

(1.4)

m

F = fuerza t = tiempo

m = masa u = velocidad r = distancia WC = trabajo Q, = calor p = presión V = volumen T = temperatura absoluta termodinámica k,, k,, k,, k4 = factores de proporcionalidad La Ecuación (1.1) es la segunda ley de Newton del movimiento que expresa la proporcionalidad entre la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre una partícula de masa m y el aumento con el tiempo de la cantidad de movimiento de la partícula en la dirección de la fuerza resultante. La Ecuación (1.2) es la ley de Newton de la gravitación que expresa la fuerza de atracción entre dos partículas de masas m, y mb separadas entre sí una distancia r. La Ecuación (1.3) es el enunciado del primer principio de termodinámica. Establece la proporcionalidad entre el trabajo realizado por un sistema cerrado durante un ciclo y el calor absorbido por el sistema durante el mismo ciclo. La Ecuación (1.4) establece la proporcionalidad entre la temperatura absoluta termodinámica y el límite, para presión cero, del producto presión-volumen de una masa definida de cualquier gas. Cada una de las ecuaciones establece que si se dispone de medios para medir los valores de todas las variables de la ecuación y se calcula el valor de k, dicho valor es constante y solamente depende de las unidades utilizadas en la medida de las variables de la ecuación. Patrones. Por un acuerdo internacional se han lijado arbitrariamente los patrones para las magnitudes de masa, longitud, tiempo, temperatura y mol, que constituyen las unidades base del sistema SI. A continuación se relacionan los patrones ordinariamente utilizados. El patrón de masa es el kilogramo (kg), definido como la masa del kilogramo internacional, un cilindro de platino que se conserva en Sevres (Francia). t Al ha1 de cada gapitulo se presenta una lista de símbolos.

DEFINICIONES

Y

FUNDAMENTOS

7

El patrón de longitud es el metro (m), definido? como 1 650 763,73* longitudes de onda de una cierta línea espectral emitida por el 86Kr. El patrón de tiempo es el segundo (s), definido como 9 192 631,770* ciclos de frecuencia de una cierta transición cuántica de un átomo de ‘33Ce. El patrón de temperatura es el kelvin (K); se define asignando el valor 273,16* K a la temperatura del a...