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Operaciones de separación por etapas de equilibrio en ingeniería química [Arriba con ella! Una columna dc dc%~laadn de un deswbutanizador de 350 tolcnadas dc peso y casi 65 metro5 de altura tue colocada ./erticalmente en una pieza en la refinería El Segundo de Standard Oil Co de Callforma, Western ...

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.- Separación en et apas de equlibrio Seader Hugo JH Operaciones De Separacion Por Et apas De Equilibrio En Ingenieria Quimica Samara Teresa Guadalupe Pérez Ruiz Dest ilación por el mét odo de Mc Cabe – T hiele Jose Manuel Hernandez

Operaciones de separación por etapas de equilibrio en ingeniería química

[Arriba con ella!

Una columna dc dc%~laadn de un deswbutanizador de 350 tolcnadas dc peso y casi 65 metro5 de altura tue colocada ./erticalmente en una pieza en la refinería El Segundo de Standard Oil Co de Callforma, Western Operation, Inc. La elevación fue una de las más pesadas rcall;adas en todos los tiempos en U.S.A. con una carga de este tipo. El contra:0 de construcción fue adjudicado a Maceo Refinery and Chemical Division, California. [Petrokum Refiner, 37, N” 2, 184 (1958)]. La column‘a que se muestra en la fotografía fue diseñada por uno de los autores.

Ernest J. Henley

J. D. Seader

Professor of Chemical Engineering University of Houston

Professot of Chemicaf Engineering University of Utah

Operaciones

de separación por etapas de equilibrio en ingeniería química

Editorial Reverté, S. A.

Titulo de la obra original: Equilibrium-Stage Separation Operations in Chemical Engineering

Edición en lengua inglesa publicada por: John Wiley & Sons, Inc. Copyright @ John Wiley & Sons, Inc.

Traducción de la publicación en lengua inglesa autorizada por John Wiley & Sons, lnc. Versión española por: Prof. Dr. Fidel Mato Vázquez

Catedrático de Ingeniería Química de la Universidad de Valladolid Y Rafael Bartolomé Mato Chaín

Ayudante de ingeniería Química de la Universidad de Valladolid Propiedad de: EDITORIAL REVERTÉ, S.A.

Loreto 13-15 Local 6 08029 Barcelona, España Tel.: 93-419-33-36 Fax: 93-419-51-89 E-Mail (Internet): [email protected]

Y

REVERTÉ EDICIONES, S.A. DE C.V.

Río Pánuco 141 Col. Cuauhtémoc C.P. 06500 México, D.F. Tel.: 55-33-56-58 al 60 Fax: 55-14-67-99 E-Mail (Internet): [email protected]

Reservados todos los derechos. Ninguna parte del material cubierto por este título de propiedad literaria puede ser reproducida, almacenada en un sistema de informática o transmitida de cualquier forma o por cualquier medio electrónico, mecánico, fotocopia, grabación u otros métodos sin el previo y expreso permiso del editor. Derechos

Reservados:

0 1990 EDITORIAL REVERTÉ 0 2000 REVERTÉ ISBN

ISBN

84-291-7908-g 968-6708-28-6

Impreso en México

S.A. (España)

EDICIONES, S.A. DE C.V. (México) Editorial Reverté,

S.A. (España)

Reverté Ediciones, S.A. de C.V. (México) Printed in Mexico

La información existente en la bibliografía sobre todas las fases de cálculo y diseño en destilación es muy abundante. Es tal el flujo de información, especialmente en relación con los fundamentos de cálculo de etapas, que el ingeniero no experto en destilación se encuentra perdido a la hora de seleccionar los mejores procedimientos para resolver sus problemas de destilación. James R. Fair y William L. Bolles, 1968

PRÓLOGO Ningún área de la ingeniería química ha cambiado tan dramáticamente en la pasada década como la correspondiente a los procedimientos de diseño de operaciones de separación basadas en el concepto de etapa de equilibrio. Hace tan sólo diez años, el diseño de fraccionadores, absorbedores, desorbedores y extractores se realizaba habitualmente por procedimientos aproximados de cálculo; por otra parte, los absorbedores con ebullición y las columnas de destilación extractiva eran con frecuencia estimadas a partir de la experiencia y de los datos obtenidos en planta piloto. Actualmente, la utilización conjunta de desarrollos termodinámicos exactos y algoritmos de cálculo suficientemente rigurosos permiten al ingeniero resolver rápidamente a través de la terminal de un ordenador, sin abandonar su mesa de trabajo, problemas que antes eran considerados de resolución extremadamente complicada. Los programas de ordenador comerciales que se encuentran disponibles para el cálculo de etapas de equilibrio son ahora tan sólidos y fiables que, como alguna vez se ha dicho del ejército, han sido organizados por genios para ser utilizados por idiotas. Una de las premisas de este libro es que aquello que una vez fue bueno para el ejército no ha de serlo necesariamente para la profesión ingenieril. La disponibilidad de sistemas de cálculo comerciales para la simulación de procesos tales como CONCEPT, DESIGN/2000, FLOWTRAN, GPS-II y PROCESS ha reducido al ingeniero, en muchos casos, a jugar el papel de un soldado raso. Lo más frecuente es que su curriculum no aborde los modernos algoritmos utilizados en estos sistemas, que el Manual del Usuario contenga solamente unas referencias vagas de las técnicas de cálculo utilizadas y que el Manual de Sistemas no esté a su alcance, de tal forma que el ejercicio de diseño degenere en la operación de una “caja negra”, quedando el usuario en la oscuridad. La intencionalidad de este libro es proyectar un poco de luz sobre esta OSCUridad. Hemos realizado un cuidadoso estudio de los principales sistemas de cálculo públicamente disponibles, tratando un número bastante grande de problemas inVII

VIII

Prólogo

dustrialmente significativos y después hemos utilizado estos problemas como vehículo para presentar al lector un conocimiento en profundidad de los modernos procedimientos de cálculo. Este método nos ha permitido conformar el libro eliminando aquellas técnicas que no son ampliamente utilizadas en la práctica o que tienen poco valor instructivo. En cambio, hemos incluido aspectos relacionados con problemas sofisticados y realistas. Por tanto, confiamos que los censores utilizarán los términos “realista” e “industrialmente significativo” para caracterizar este libro. Hemos tratado sobre todo de “contarlo tal como es”. El material del libro comprende temas tales como procesos de etapas de equilibrio, operaciones de transferencia de materia, procesos de separación y/o destilación, que generalmente se tratan en cursos de no graduados o de postgraduados. El Capítulo 1 incluye un estudio de las operaciones de separación por transferencia de materia e introduce el concepto de etapa de equilibrio, así como su utilización en el equipo de múltiple etapa en contracorriente. En el Capítulo 2 el estudiante adquiere alguna información sobre los detalles mecánicos de los equipos de separación, tanto por etapas como de relleno. La termodinámica del equilibrio entre fases fluidas, que tiene una gran influencia en los cálculos de etapas de equilibrio, se presenta en el Capítulo 3 desde un punto de vista elemental y esencialmente gráfico, para ampliarla posteriormente en los Capítulos 4 y 5, donde se desarrollan métodos algebraicos para sistemas multicomponentes que resultan útiles para predecir densidades, entalpías, fugacidades y coeficientes de actividad de fases fluidas. Se incluyen tratamientos importantes de las ecuaciones de estado tipo Redlich-Kwong y del concepto de composición local de Wilson. La presentación de las técnicas de cálculo de etapas de equilibrio va precedida del Capítulo 6, que comprende un análisis de las variables y ecuaciones que relacionan las variables de tal forma que pueda realizarse una correcta especificación del problema. Las técnicas de cálculo de simple etapa se desarrollan en el Capítulo 7, en el que se hace hincapié sobre las operaciones isotérmicas y adiabáticas de flash, asi como su natural extensión a cascadas de múltiple etapa. Los procedimientos gráficos de cálculo basados en el uso del diagrama de McCabe-Thiele, del diagrama de Ponchon-Savarit y del diagrama triangular para sistemas binarios o ternarios se tratan en los Capitulos 8 a ll, incluyendo un corto capítulo sobre destilación discontinua. Cuando pueden aplicarse, los métodos gráficos son todavia muy utilizados y permiten al estudiante visualizar la forma en que se producen los cambios de composición en los separadores de múltiple etapa. En el Capítulo 12 se tratan con detalle los métodos aproximados más útiles para destilación de sistemas multicomponentes, absorción, deserción y extracción. Métodos como los de Fenske-Underwood-Gilliland, Kremser y Edmister resultan valiosos en las consideraciones previas de diseño y simulación y, cuando se conocen a fondo, pueden permitir ampliar fácilmente a otras especificaciones de diseño los resultados de los métodos rigurosos de cálculo que se presentan en el Capítulo 15.

PMogo

IX

La determinación de la capacidad de flujo y de la eficacia de las etapas del separador se realiza mejor utilizando métodos y datos propios, así como a partir de la experiencia. Sin embargo, en el Capítulo 13 se presentan brevemente métodos aceptables para una rápida estimación preliminar del diámetro del separador y de la eficacia global de las etapas. En el Capítulo 14 se presenta una introducción a la síntesis y a la determinación de la disposición óptimas de separadores para procesos que han de separar una mezcla en más de dos productos. Los métodos rigurosos de etapa múltiple para sistemas multicomponentes, que se estudian en el Capítulo 15, se basan principalmente en el tratamiento del balance de materia, el balance de energía y las relaciones de equilibrio entre fases, como un conjunto de ecuaciones algebraicas no lineales, tal como han sido inicialmente desarrolladas por Amundson y Pontinen para destilación, y posteriormente por Friday y Smith para diferentes operaciones de separación. Se hace especial hincapié en la comprensión de los algoritmos ampliamente utilizados de la matriz tridiagonal y la matriz de bloque tridiagonal. El Capítulo 16 presenta una introducción al tema de transferencia de materia aplicado a las operaciones de separación, con especial énfasis en el diseño y operación de columnas de relleno. El último capítulo aborda el importante tema de la conservación de energía en destilación e incluye un método para calcular la eficacia termodinámica que permite comparar procesos alternativos de separación. El libro se ha diseñado para ser utilizado de diversas formas por estudiantes e ingenieros prácticos. Algunas combinaciones posibles de capítulos son:

1. Curso corto de introducción para estudiantes no graduados: Capítulos 1, 2 , 3 , 8 , 10, ll, 1 6 . 2. Curso introductorio de una extensión moderada para estudiantes no graduados: Capítulos 1 , 2 , 3 , 6 , 7, 8, 9, 1 0 , 1 1 , 12. 3. Curso avanzado para estudiantes no graduados: Capítulos 1 , 4 , 5 , 6 , 7, 8, 9, 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 5 , 1 7 . 4. Curso para postgraduados y auto-estudio por ingenieros prácticos: Capítulos 4 , 5 , 6 , 7 , 12, 13, 1 4 , 1 5 , 17.

Casi todos los temas del libro se ilustran con un ejemplo detallado. Al final de cada capítulo se propone un amplio número de problemas sobre la temática del mismo. Habida cuenta de que nos encontramos en un período de transición, se utilizan tanto unidades SI como inglesas-USA, con frecuencia simultáneamente. En la última página del libro se presenta una relación de factores de conversión.

X

Próbgo

El libro comprende también dos apéndices. En el primero de ellos se dan 16 constantes y coeficientes de propiedades físicas procedentes del banco de datos FLOWTRAN de Monsanto para 176 substancias químicas. En el Apéndice II se relacionan las fuentes de los programas de cálculo FORTRAN para la realización de la mayor parte de los tediosos y, a veces, complejos procedimientos de cálculo que se tratan en el libro. Ernest J. Henley J. D. Seader

AGRADECIMIENTOS Este libro se inició en 1970 como una segunda edición de Stagewise Process Design por E. J. Henley y H. K. Staffin. Sin embargo, el Dr. Staffin, que actualmente es presidente de Procedyne Corp., New Brunswick, N. Y., no pudo continuar como coautor. De todas formas tenemos que apreciar grandemente su influencia sobre este libro. El diseño original del libro se realizó con la ayuda del profesor E. C. Roche, Jr., y fue revisado por el profesor D. B. Marsland de la North Carolina State University (Raleigh). Agradecemos a ambos su ayuda en la planificación inicial del libro. Hemos mantenido estimulantes conversaciones, que nos han ayudado a determinar los temas a tratar, con los profesores R. R. Hughes, de la Universidad de Wisconsin (Madison), C. J. King de la Universidad de California (Berkeley), R. S. H. Mah de la Northwestern University, R. L. Motard de la Washington University, D. L. Salt de la Universidad de Utah, W. D. Seider de la Universidad de Pennsylvania, y A. W. Westerberg de la Carnegie-Mellon University, así como con J. R. Fair y A. C. Pauls de Monsanto Company. Estamos en deuda con el profesor J. R. F. Alonso, del Swinburn College of Technology (Melbourne, Australia), que ha contribuido a los Capítulos 8 y 16 y nos ha ayudado a reorganizar los Capítulos 1 y 2. Los profesores Buford D. Smith de la Washington University y Vincent Van Brunt de la Universidad de Carolina del Sur han leído cuidadosamente el borrador del manuscrito y nos han ofrecido muy valiosas sugerencias para su mejora. Hemos tenido la fortuna de contar con su experiencia y sus valiosas directrices. Numerosos estudiantes de las Universidades de Houston y Utah, incluyendo A. Gallegos, A. Gómez, S. Grover, F. R. Rodrigo, N. Sakakibara, J. Sonntag, L. Subieta y R. Vázquez, nos han prestado una valiosa ayuda en la preparación de ejemplos y problemas. El borrador del manuscrito fue mecanografiado por Vickie Jones, Marilyn Roberts y Trace Faulkner. XI

XII

Agradecimientos

Si, durante estos aparentemente interminables años que hemos trabajado en el libro, nos hemos olvidado de algunos contribuidores que no figuran en estos agradecimientos, rogamos que nos disculpen: nuestra fuerza está disminuida y nuestra memoria se ha oscurecido. Agradecemos al paciente equipo editorial de John Wiley, incluyendo a Thurman R. Poston, Andy Ford y Caro1 Beasley, por su amable tolerancia a lo largo de 10 años de cambios de progamación, autores y contenidos, así como por su cortés aceptación de incontables retrasos. Nuestro agradecimiento también a Ann Kearns y Deborah Herbert del equipo de producción de John Wiley por su exquisito trabajo. E. J. H J. D. S.

íNDICE ANALíTICO Notación 1. 2. 3. 4. 5.

Procesos de separación Equipo para contacto de fase múltiple Diagramas termodinámicos de equilibrio Equilibrio entre fases a partir de ecuaciones de estado Propiedades de equilibrio a partir de correlaciones de coeficientes de actividad 6. Especificación de variables de diseño 7. Vaporización y condensación parcial de equilibrio 8. Cálculos gráficos de múltiples etapas por el método de McCabe-Thiele 9. Destilación discontinua 10. Cálculos gráficos de etapa múltiple por el método de Ponchon-Savarit ll. Cálculos de extracción en diagramas triangulares 12. Métodos aproximados para separaciones en múltiple etapa de sistemas multicomponentes 13. Capacidad y eficacia de las etapas 14. Síntesis de secuencias de separación 15. Métodos rigurosos para separaciones multicomponentes en etapa múltiple 16. Operaciones de contacto continuo diferencial: Absorción de gases 17. Conservación de energía y eficacia termodinámica

1 49 95 151 199 261 295 335 395 408 449 467 549 579 611 685 743

Apéndices 1. Constantes y coeficientes de propiedades físicas II. Fuentes de los programas de ordenador

783 795

índice de autores

799

índice alfabético

805 XIII

NOTACIÓN Letras mayúsculas y minúsculas A

factor de absorción de un componente, definido por (12-48); área de la sección transversal total de un plato

A, B

Ao, AI. . . . AM

parámetros en la ecuación de Redlich-Kwong, definidos de (4-42) a (4-45); parámetros en la ecuación de Soave-Redhch-Kwong, definidos de (4-108) a (4-l Il) constantes en las ecuaciones de Chao-Seader (5-12) y (5-13)

* A I , A2, A

constantes en la ecuación de Antoine de presiones de vapor, (4-69)

AS

área de la sección transversal activa de un plato

Ad Ah

área de la sección transversal descendente de un plato área total del plato

A i, Bi, C,

constantes en la ecuación empírica de entalpías en fase vapor, dadas en el Ejemplo 12.8

A,;

parámetros del balance de materia, definidos de (15-8) a (15-11) constante en la ecuación de Soave-Redlich-Kwong, definida por (4-l 13); parámetro de interacción binaria en la ecuación de van Laar, (5-26) constante de interacción binaria en la ecuación de van Laar, definida por (5-31)

a

actividad de un componente en una mezcla, definida por (4-18); área interfacial por unidad de volumen

a

parámetro definido en (4-103) * Indica que las constantes o coeficientes están tabulados para 176 especies en el Apéndice 1. Las letras en negrita son vectores; las letras en negrita con una barra encima son matrices.

xv

Notación

XVI a. b

, constantes de la ecuación de van der Waals (4-35); constantes de la ecuación de Redlich-Kwong, (4-38); constantes de la ecuación de Soave-Redlich-Kwong (4- 102)

*aI, al, . .

constantes en (4-59) para la capacidad calorífica del gas ideal

a,. b,, c,

constantes en la ecuación empírica de la entalpía del líquido en el Ejemplo 12.8

0,

parámetro de grupo de interacción binaria en la ecuación UNIFAC

B

flujo del producto de colas; flujo del producto de refinado exento de disolvente; función de disponibilidad definida por ( 17-2 1)

B

flujo del producto refinado

b

flujo de componente en el producto de colas

C

número de componentes de una mezcla; parámetro de capacidad de Souders y Brown definido por (13-3); concentración molar

Cl, c2

constantes de integración en (4-10) y (4-l 1), respectivamente

CD

coeficiente de rozamiento en (13-2)

CF

factor de capacidad en ( 13-5) dado en la Fig. 13.3; parámetro de transferencia de materia en (16-43)

CA

capacidad calorífica del gas ideal

D’

flujo de destilado; flujo de extracto exento de disolvente

D

flujo de extracto: densidad en la pag. SO: flujo de destilado

Dr

diámetro de columna o de tanque

DAB

difusividad de A en B

d

flujo de componente en el destilado

4 E

diámetro de la gota flujo de masa de la fase de extracto; factor de extracción definido por (12-80); función del equilibrio entre fases definida por (I5-2), (5H-59) y (15-74)

EO

eficacia global del plato (etapa) definida por (13-8)

EL

eficacia de Murphree del plato basada en la fase líquida

Ev

eficacia de Murphree del plato basada en la fase vapor

e

flujo de arrastre

F

flujo de alimentación; fuerza; función en general; factor de relleno en la Tabla 16.6

Fb

fuerza de flotación

Fd

fuerza de rozamiento

Notación

XVII

FF

factor de espuma en (13-5)

F;

fuerza de gravitación

FHA

factor de área de orificio en (13-S)

FLV

relación de energía cinética definida en la Fig. 13.3

FST