Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McCabe. 7ma Edition 2007. McGraw Hill PDF

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McCabe 00.indd 2 18/12/06 16:40:51 McCabe 00.indd 2 18/12/06 16:40:51 OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA SÉPTIMA EDICIÓN McCabe 00.indd 1 18/12/06 16:40:51 McCabe 00.indd 2 18/12/06 16:40:51 OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA SÉPTIMA EDICIÓN Warren L. McCabe North Carolina State U...

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OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA SÉPTIMA EDICIÓN

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OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA SÉPTIMA EDICIÓN

Warren L. McCabe

North Carolina State University

Julian C. Smith Cornell University

Peter Harriot Cornell University

Revisor técnico René Huerta Cevallos

Universidad Iberoamericana, Ciudad de México

MÉXICO • AUCKLAND • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA LISBOA • LONDRES • MADRID • MILÁN • MONTREAL • NUEVA DELHI • NUEVA YORK SAN FRANCISCO • SAN JUAN • SAN LUIS • SANTIAGO SÃO PAULO • SIDNEY • SINGAPUR • TORONTO

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Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Director Editorial: Ricardo del Bosque Alayón Editor Sponsor: Pablo Eduardo Roig Vázquez Editora de Desarrollo: Ana Laura Delgado Rodríguez Supervisor de Producción: José Alberto Fernández Uriza Traductor: Alejandro Carlos Piombo Herrera

OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA Séptima edición Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2007, respecto a la séptima edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edificio Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A, Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736 ISBN-13: 978-970-10-6174-9 ISBN-10: 970-10-6174-8 Traducido de la séptima edición de Unit Operations of Chemical Engineering Copyright © MMV by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. ISBN: 0-07-284823-5 1234567890

09865432107

Impreso en México

Printed in Mexico

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CONTENIDO

Acerca de los autores Prefacio SECCIÓN I

1

XV

XVII

Introducción

1

Definiciones y principios Operaciones unitarias Sistemas de unidades

3

4 4

Cantidades físicas / Unidades SI / Unidades cgs / Unidades de ingeniería fps / Constante de los gases / Conversión de unidades / Unidades y ecuaciones

Análisis dimensional 17 Conceptos básicos 21 Ecuaciones de estado de los gases

Símbolos Problemas Referencias

SECCIÓN II

2

3

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25 26 29

Mecánica de f luidos

31

Estática de f luidos y sus aplicaciones Equilibrio hidrostático 34 Aplicaciones de la estática de fluidos Símbolos 44 Problemas 45 Referencias 46

Fenómenos de f lujo de f luidos

33

37

47

Flujo laminar, velocidad de corte y tensión de corte Propiedades reológicas de los fluidos 49 Turbulencia 55

48

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vi

CONTENIDO

Capas límite 63 Símbolos 68 Problemas 69 Referencias 70

4

Ecuaciones básicas del f lujo de f luidos

71

5

Flujo de f luidos no compresibles en tuberías y canales de conducción 103

Balance de masa en un fluido en movimiento: continuidad 71 Balance diferencial del momento: ecuaciones del movimiento 78 Balances macroscópicos del momento 84 Ecuación de la energía mecánica 89 Símbolos 99 Problemas 100 Referencias 102

Esfuerzo cortante (tensión de corte) y fricción de superficie en tuberías Flujo laminar en tuberías y canales 107 Flujo turbulento en tuberías y canales 113 Fricción debida a variaciones de velocidad o dirección 127 Símbolos 135 Problemas 136 Referencias 139

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6

Flujo de f luidos compresibles

7

Flujo de fluidos alrededor de cuerpos sumergidos

103

141

Definiciones y ecuaciones básicas 141 Procesos de flujo de fluidos compresibles 146 Flujo isentrópico a través de boquillas 147 Flujo adiabático con fricción 154 Flujo isotérmico con fricción 159 Símbolos 161 Problemas 163 Referencias 164

Rozamiento y coeficientes de rozamiento 165 Flujo a través de lechos de sólidos 173 Movimiento de partículas a través de fluidos 178 Fluidización 189

165

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CONTENIDO

Símbolos Problemas Referencias

8

vii

200 202 205

Transporte y medición de f luidos Tuberías, accesorios y válvulas Bombas 215

207

207

Bombas de desplazamiento positivo / Bombas centrífugas

Ventiladores, sopladores y compresores

228

Ventiladores / Sopladores y compresores / Comparación de equipos para el movimiento de fluidos

Medición del flujo de fluidos

239

Medidores de perforación total

Símbolos Problemas Referencias

9

SECCIÓN III

10

11

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255 256 258

Agitación y mezcla de líquidos

259

Tanques agitados 260 Mezcla y mezclado 281 Suspensión de partículas sólidas 288 Operaciones de dispersión 293 Selección del agitador y escalamiento 302 Símbolos 305 Problemas 307 Referencias 309

Transferencia de calor y sus aplicaciones Transferencia de calor por conducción

Ley básica de conducción 315 Conducción en estado estacionario 317 Conducción de calor en estado no estacionario Símbolos 337 Problemas 338 Referencias 340

Fundamentos del f lujo de calor en f luidos Equipo típico para intercambio de calor Balances de energía 344

341

311

315

325

341

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viii

CONTENIDO

Coeficientes de transferencia de calor y flujo de calor

347

Coeficiente global de la transferencia de calor / Coeficientes individuales de transferencia de calor

Símbolos Problemas Referencias

12

360 361 362

Transferencia de calor en f luidos sin cambio de fase

363

Capas límite 363 Transferencia de calor por convección forzada en flujo laminar 367 Transferencia de calor por convección forzada en flujo turbulento 374 Transferencia por remolinos turbulentos y analogía entre la transferencia de momento y de calor

Transferencia de calor en la región de transición entre flujo laminar y turbulento 387 Transferencia de calor en metales líquidos 390 Calentamiento y enfriamiento de fluidos por convección forzada en tubos exteriores 391 Convección natural 394 Símbolos 401 Problemas 403 Referencias 406

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13

Transferencia de calor en f luidos con cambio de fase

14

Transferencia de calor por radiación

Transferencia de calor desde vapores condensantes 407 Transferencia de calor a líquidos en ebullición 420 Símbolos 433 Problemas 434 Referencias 437

407

439

Emisión de radiación 440 Absorción de radiación por sólidos opacos 444 Radiación entre superficies 447 Radiación en materiales semitransparentes 456 Transferencia de calor combinada por conducción-convección y radiación Símbolos 459 Problemas 460 Referencias 462

457

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CONTENIDO

15

Equipo para intercambio de calor

ix

463

Intercambiadores de calor de tubo y coraza 464 Intercambiadores de tipo placa 480 Equipo con superficie ampliada 484 Tubos de calor 490 Intercambiadores de superficie raspada 491 Condensadores y vaporizadores 493 Transferencia de calor en tanques agitados 497 Transferencia de calor en lechos empacados 500 Símbolos 505 Problemas 506 Referencias 510

16

Evaporación

511

Tipos de evaporadores 513 Funcionamiento de los evaporadores tubulares

518

Capacidad de un evaporador / Economía de un evaporador

Recompresión del vapor Símbolos 542 Problemas 542 Referencias 545

SECCIÓN IV

17

540

Transferencia de masa y sus aplicaciones

547

Fundamentos de la difusión y de la transferencia de masa entre fases 553 Teoría de la difusión 554 Predicción de las difusividades Difusión transitoria (transiente) Teorías de transferencia de masa

562 567 569

Teoría de película / Teoría de la capa límite / Teoría de penetración / Teoría de la doble película

Coeficientes de transferencia de materia

576

Medidas experimentales / Coeficientes para transferencia de materia a través de áreas conocidas

Símbolos Problemas Referencias

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587 589 592

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CONTENIDO

18

Absorción de gases

593

Diseño de empaques y torres empacadas 593 Fundamentos de la absorción 604 Absorción desde gases enriquecidos 622 Correlaciones de transferencia de masa 629 Absorción en columnas de platos

Absorción con reacción química Símbolos 640 Problemas 642 Referencias 645

19

637

Operaciones de humidificación Definiciones 647 Carta (o gráfica) de humedad Temperatura del bulbo húmedo Torres de enfriamiento 660

647

652 656

Teoría de las torres de enfriamiento a contracorriente

Símbolos Problemas Referencias

20

671 673 674

Operaciones de equilibrio de etapas Equipo para etapas de contacto 675 Fundamentos de los procesos por etapas

675 678

Cálculo de etapas de equilibrio para sistemas multicomponentes

Símbolos Problemas Referencias

21

Destilación

692 693 694

695

Destilación flash 695 Destilación continua con reflujo

698

Balances de materia en columnas de platos / Número de platos ideales; método deMcCabe-Thiele

Balances de entalpía 726 Diseño de columnas de platos perforados Eficiencia de platos 746

734

Teoría de eficiencia de platos

Destilación en columnas empacadas Destilación discontinua 758

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756

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CONTENIDO

Símbolos Problemas Referencias

761 764 769

22

Introducción a la destilación multicomponente

23

Lixiviación y extracción

Equilibrios entre fases para la destilación multicomponente Destilación flash de mezclas multicomponentes 775 Fraccionamiento de mezclas multicomponentes 776 Destilación azeotrópica y extractiva 795 Símbolos 796 Problemas 797 Referencias 798 Lixiviación

771

771

799

799

Equipo de lixiviación / Fundamentos de lixiviación continua en contracorriente

Extracción de líquidos

808

Equipo de extracción / Fundamentos de la extracción

Técnicas especiales de extracción

826

Extracción con fluidos supercríticos

Símbolos Problemas Referencias

24

828 829 832

Secado de sólidos

Fundamentos del secado

833

835

Equilibrio entre fases

Secado con circulación transversal 841 Secado con circulación a través del sólido

849

Secado de partículas suspendidas

Secado por congelación 852 Equipo de secado 853 Secadores para sólidos y pastas / Secadores para disoluciones y suspensiones / Selección de equipo de secado

Símbolos Problemas Referencias

25

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870 871 873

Separaciones en lechos fijos Adsorción 875 Equipo de adsorción

875

876

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xii

CONTENIDO Equilibrios; isotermas de adsorción / Fundamentos de la adsorción / Ecuaciones básicas de adsorción / Soluciones de las ecuaciones de transferencia de masa / Diseño de adsorbedores / Operación continua

Intercambio de iones

904

Equilibrios / Velocidades de transferencia de materia / Operación de intercambiadores de iones

Cromatografía 911 Símbolos 918 Abreviaturas 919 Problemas 920 Referencias 922

26

Procesos de separación por membrana Separación de gases 923 Separación de líquidos 946

923

Diálisis / Membranas para extracción líquido-líquido / Pervaporación / Ósmosis inversa

Símbolos Problemas Referencias

27

965 967 969

Cristalización

971

Geometría de los cristales 972 Equilibrios y rendimientos 973 Nucleación 981 Crecimiento de los cristales 988 Equipo de cristalización 992 Diseño de cristalizadores: distribución del tamaño del cristal

998

Cristalizador MSMPR

Cristalización a partir de la fase fundida Símbolos 1004 Problemas 1006 Referencias 1007

SECCIÓN V

28

1002

Operaciones en las que intervienen partículas de sólidos Propiedades y tratamiento de partículas sólidas Caracterización de partículas sólidas Propiedades de masas de partículas

1011 1018

1009

1011

Almacenamiento y transporte de sólidos

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CONTENIDO

Mezclado de sólidos

xiii

1021

Mezclado para sólidos no cohesivos / Mezcladores para sólidos cohesivos

Reducción del tamaño

1029

Simulación computarizada para operaciones de molienda / Equipo para la reducción de tamaño

Molinos de ultrafinos Símbolos 1045 Problemas 1046 Referencias 1047

29

1040

Separaciones mecánicas Tamizado

1049

1049

Equipo de tamizado

Filtración: consideraciones generales Filtros de torta 1056

1054

Filtración centrífuga / Medios filtrantes / Coadyuvantes de filtración / Fundamentos de la filtración en torta

Filtros clarificadores

1083

Clarificación de líquidos / Limpieza de gases / Fundamentos de la clarificación

Filtración con flujo transversal: filtros de membrana

1087

Tipos de membranas / Flujo permeado por ultrafiltración / Polarización de la concentración / Microfiltración

Procesos de sedimentación por gravedad 1106 Procesos de sedimentación centrífuga 1118 Símbolos 1130 Problemas 1133 Referencias 1136 Apéndice 1 Apéndice 2 Apéndice 3 Apéndice 4 Apéndice 5 Apéndice 6 Apéndice 7 Apéndice 8 Apéndice 9 Apéndice 10

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Factores de conversión y constantes universales 1139 Grupos adimensionales 1142 Dimensiones, capacidades y pesos de tuberías estándar de acero 1144 Datos sobre tubos de condensadores e intercambiadores de calor 1145 Escala de tamices estándar Tyler 1146 Propiedades del agua líquida 1147 Propiedades del vapor saturado y del agua 1148 Viscosidades de gases 1150 Viscosidades de líquidos 1152 Conductividades térmicas de metales 1155

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xiv

CONTENIDO

Apéndice 11 Apéndice 12 Apéndice 13 Apéndice 14 Apéndice 15 Apéndice 16 Apéndice 17 Apéndice 18 Apéndice 19 Índice

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Conductividades térmicas de varios sólidos y materiales aislados 1156 Conductividades térmicas de gases y vapores 1158 Conductividades térmicas de líquidos distintos al agua 1159 Calores específicos de gases 1160 Calores específicos de líquidos 1161 Números de Prandtl para gases a 1 atm y 100 C 1162 Números de Prandtl para líquidos 1163 Difusividades y números de Schmidt para gases en aire a 0 C y 1 atm 1164 Integral de colisión y constantes de fuerza de Lennard-Jones 1165

1167

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ACERCA DE LOS AUTORES

WARREN L. McCABE (1899-1982) obtuvo su doctorado de la Universidad de Michigan. Después fue vicepresidente y director de investigación de la compañía Flintkote, decano de ingeniería del Instituto Politécnico de Brooklyn y profesor de la cátedra R.J. Reynolds de ingeniería química de North Carolina State University. Durante algún tiempo se desempeñó como presidente del American Institute of Chemical Engineers. JULIAN C. SMITH (Bioquímico, ingeniero químico, Cornell University) es profesor emérito de ingeniería química en Cornell University, institución a cuyo cuerpo docente se integró en 1946. Fue director de educación continua en ingeniería en Cornell de 1965 a 1971 y director de la Escuela de Ingeniería Química de 1975 a 1983. Se retiró de la docencia activa en 1986. Antes de incorporarse a la facultad en Cornell, trabajó como ingeniero químico en E.I. DuPont de Nemours and Co. Ha trabajado como asesor sobre desarrollo de procesos para DuPont, American Cyanamid y muchas otras compañías, así como para agencias gubernamentales. Es miembro de la American Chemical Society y del American Institute of Chemical Engineers. PETER HARRIOTT (Ingeniero bioquímico, Cornell University; doctor en ciencias, Massachusetts Institute of Technology) ocupa la cátedra Fred H. Rhodes en Cornell University. Antes de integrarse a la facultad de Cornell en 1953, trabajó como ingeniero químico en E.I. DuPont de Nemours and Co. y en General Electric Co. En 1966 obtuvo la beca NSF Senior Postdoctoral Fellowship para estudiar el posdoctorado en el Instituto para Catálisis en Lyon, Francia; en 1988 obtuvo la beca DOE para trabajar en el Pittsburgh Energy Technology Center. El profesor Harriott es autor de Process control y es miembro de la American Chemical Society y del American Institute of Chemical Engineers. Ha trabajado como asesor sobre problemas de transferencia de masa, diseño de reactores y control de la contaminación del aire para el Departamento de Energía de Estados Unidos, así como para diversas empresas.

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PREFACIO

L a séptima edición de esta obra contiene gran cantidad de material nuevo y problemas adicionales, aunque conserva la estructura básica y el nivel general de tratamiento en relación con la edición anterior. Este libro es un texto introductorio, escrito para estudiantes universitarios de niveles iniciales y avanzados que han completado los cursos de matemáticas, física, química y la introducción a la ingeniería química. Se asume que el estudiante cuenta con conocimientos elementales de balances de la materia y energía. Debido a que se abordan temas como transferencia de calor, transferencia de masa y diseño de equipo, también es útil para químicos e ingenieros industriales. Los capítulos separados están dedicados a cada una de las principales operaciones unitarias y se han agrupado en cuatro secciones: “Mecánica de fluidos”, “Transferencia de calor y sus aplicaciones”, “Transferencia de masa y sus aplicaciones” y “Operaciones en las que intervienen partículas de sólidos”. Los cursos...