Procesos de transporte y operaciones unitarias - Geankoplis PDF

Preview

Summary

. Geankodis PROCESOS DE TRANSPORTE Y OPERACIONES UNITARIAS Christie J. Geankoplis University of Minnesota TERCERA EDICIÓN MÉXICO, 1998 COMPAÑÍA EDITORIAL CONTINENTAL, S.A. DE C.V. MÉXICO Contenido ... Prefacio XIII PARTE 1 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE PROCESOS DE TRANSPORTE DE MOMENTO LINEAL, DE CALO...

Description

. Geankodis

PROCESOS DE TRANSPORTE Y OPERACIONES UNITARIAS

Christie J. Geankoplis University

of Minnesota

TERCERA EDICIÓN MÉXICO, 1998

COMPAÑÍA EDITORIAL CONTINENTAL, S.A. DE C.V. MÉXICO

Contenido

... XIII

Prefacio PARTE 1 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE PROCESOS DE TRANSPORTE DE MOMENTO LINEAL, DE CALOR Y DE MASA

1

Capitulo 1

Introducción a los principios de ingeniería y sus unidades

3

Clasificación de las operaciones unitarias y los procesos de transporte El sistema (SI) de unidades fundamentales usado en este texto y otros sistemas de unidades Métodos para expresar temperaturas y composiciones Leyes de los gases y presión de vapor Conservación de la masa y balances de materia Unidades de energía y calor Conservación de energía y balances de calor Métodos matemáticos, gráficos y numéricos

3

1.1

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Capitulo 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11

Principios de transferencia de momento lineal y balances globales

Introducción Estática de fluidos Ecuación general de transporte molecular para transferencia de momento lineal, calor y masa Viscosidad de los fluidos Tipos de flujo de fluidos y número de Reynolds Balance total de masa y ecuación de continuidad Balance global de energía Balance general de momento lineal Balance de momento lineal en el recinto y perfil de velocidades en flujo laminar Ecuaciones de diseño para flujo laminar y turbulento en tuberías Flujo compresible de gases

5 7

10 13 17 23 29 38 38 39 47 52 56 59 66 80 90 96

115

Capítulo 3

Principios de la transferencia de momento lineal y aplicaciones

130

3.1

Flujo alrededor de objetos inmersos y lechos empacados y fluidizados Medición del flujo de fluidos Bombas y equipo para manejar gases Agitación y mezclado de fluidos y necesidades de potencia Fluidos no newtonianos Ecuaciones diferenciales de continuidad Ecuación diferencial de transferencia de momento lineal o de movimiento Uso de las ecuaciones diferenciales de movimiento y continuidad 3.9 Otros métodos para la resolución de ecuaciones diferenciales de movimiento 3.10 Flujo de capa límite y turbulencia 3.11 Análisis dimensional de la transferencia de momento lineal

130 145 152 161 174 186 193 199 209 215

3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

Capítulo 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

4.9

4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15

Viii

241 247 251 263 265

279 285

292

301 310 316 333 336 345 348 368

Principios de transferencia de calor en estado no estacionario

Deducción de la ecuación básica Caso simplificado de sistemas con resistencia interna despreciable Conducción del calor en estado no estacionario en diversas geometrías Métodos numéricos de diferencia finita para conducción en estado no estacionario Enfriamiento y congelación de alimentos y materiales biológicos Ecuación diferencial de cambio de energía Flujo de capa límite y turbulencia en la transferencia de calor

Capítulo 6 6.1 6.2 6.3

241

Principios de transferencia de calor en estado estacionario

Introducción y mecanismos de la transferencia de calor Transferencia de calor por conducción Conducción a través de sólidos en serie Conducción de estado estacionario y factores de forma Transferencia de calor por convecci6n forzada dentro de tuberias Transferencia de calor por convección forzada en el exterior de diferentes geometrias Transferencia de calor en convección natural Ebullición y condensación Intercambiadores de calor Introducción a la transferencia de calor por radiación Principios avanzados de transferencia de calor por radiación Transferencia de calor en fluidos no newtonianos Casos especiales de coeficientes de transferencia de calor Análisis dimensional en la transferencia de calor Métodos numéricos para la conducción en estado estacionario en dos dimensiones

Capítulo 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

228

Principios de transferencia de masa

Introducción a la transferencia de masa y difusión Difusión molecular en gases Difusión molecular en líquidos

368 370 373

390

401 407 413 425 425 430

444 Contenido

6.4 6.5 6.6

Difusión molecular en soluciones y geles biológicos Difusión molecular en sólidos Métodos numéricos para la difusión molecular en estado estacionario en dos dimensiones

Capítulo 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9

Principios de transferencia de masa en estado no estacionario y por convección

Difusión de estado no estacionario Coeficientes de transferencia convectiva de masa Coeficientes de transferencia de masa para diversas geometrías Transferencia de masa a suspensiones de partículas pequeñas Difusión molecular más convección y reacción química Difusión de gases en sólidos porosos y capilares Métodos numéricos para difusión molecular en estado no estacionario Análisis dimensional en la transferencia de masa Flujo de capa límite y turbulencia en la transferencia de masa

450 455 461

474 474 481 487 503 506 517 524 530 532

PARTE 2 OPERACIONES UNITARIAS

545

Capítulo 8 Evaporación

545

8.1 Introducción 8.2 Tipos de equipos de evaporación y métodos de operación 8.3 Coeficientes totales de transferencia de calor en evaporadores 8.4 Métodos de cálculo para evaporadores de un solo efecto 8.5 Métodos de cálculo para evaporadores de efecto múltiple 8.6 Condensadores para evaporadores 8.7 Evaporación de materiales biológicos 8.8 Evaporación mediante recompresión de vapor Capítulo 9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11 9.12 Contenido

Secado de materiales de proceso

Introducción y métodos de secado Equipo para secado Presión de vapor del agua y humedad Contenido de humedad de equilibrio de los materiales Curvas de velocidad de secado Métodos para calcular el periodo de secado de velocidad constante Métodos para calcular el periodo de secado de velocidad decreciente Transferencia de calor por combinación de convección, radiación y conducción, durante el periodo de velocidad constante Secado por difusión y flujo capilar durante el periodo de velocidad decreciente Ecuaciones para diversos tipos de secadores Liofilización de materiales biológicos Procesamiento térmico en estado no estacionario y esterilización de materiales biológicos

545 547 551 553 560

569

571 572

579 579

580 584

593 596

601 606

609 619

630 634

ix

Capítulo 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8

Tipos de procesos y métodos de separación Relaciones de equilibrio entre fases Contacto de equilibrio en una y en múltiples etapas Transferencia de masa entre fases Procesos continuos de humidifícación Absorción en torres empacadas y de platos Absorción de mezclas concentradas en torres empacadas Estimación de los coeficientes de transferencia de masa para torres empacadas

Capítulo 11 11.1 ll.2 11.3 ll.4 ll.5 ll.6 ll.7

13.5 13.6 13.7

Procesos de separación liquido-líquido y sólido-fluido

Introducción a los procesos de adsorción Adsorción por lotes Diseño de columnas de adsorción de lecho fijo Procesos de intercambio de iones Procesos de extracción líquido-líquido en una sola etapa Equipo para extracción líquido-líquido Extracción a continua contracorriente en etapas múltiples Introducción y equipo para lixiviación líquido-sólido Relaciones de equilibrio y lixiviación en una sola etapa Lixiviación a contracorriente en etapas múltiples Introducción y equipo de cristalización Teoría de la cristalización

Capítulo 13 13.1 13.2 13.3 13.4

Procesos de separación vapor-líquido

Relaciones de equilibrio vapor-líquido Contacto de equilibrio de una sola etapa para un sistema vapor-líquido Métodos simples de destilación Destilación con reflujo y el método de McCabe-Thiele Eficiencias de los platos en la destilación y la absorción Destilación fraccionada con el método de entalpía-concentración Destilación de mezclas multicomponentes

Capítulo 12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10 12.11 12.12

Procesos de separación gas-líquido por etapas y continuos

Procesos de separación a través de una membrana

Introducción y tipos de procesos de separación a través de las membranas Procesos de membrana de permeación de líquidos o diálisis Procesos a través de una membrana para permeación de gases Modelo de mezcla completa para la separación de gases por medio de membranas Modelo de mezcla completa para mezclas multicomponentes Modelo de flujo cruzado para la separación de gases por membranas Modelo de flujo a contracorriente para la separación de gases a través de membranas

650 650 652 653 661 670 679 698 703

712 712 715 716 722 740 743 753

773 773 776 777 784 791 794 800 807 810 815 822 833 833 834 838 844 850 853 860 Contenido

13.8 13.9 13.10 13.11

Efectos de las variables de proceso en la separación de gases a través de membranas Procesos a través de una membrana de ósmosis inversa Aplicaciones, equipo y modelos para ósmosis inversa Procesos a través de una membrana de ultrafiltración

Capitulo 14

14.1 14.2 14.3 14.4 14.5

Procesos de separación físicos-mecánicos

Introducción y clasificación de los procesos de separación físico-mecánicos Filtración en la separación sólido-líquido Precipitación y sedimentación en la separación partícula-fluido Procesos de separación por centrifugación Reducción mecánica de tamaño

863 865 871 875

884 884 885 900 915 928

APÉNDICES Apéndice Apéndice Apéndice Apéndice Apéndice

A.l A.2 A.3 A.4 A.5

Constantes fundamentales y factores de conversión Propiedades físicas del agua Propiedades físicas de compuestos inorgánicos y orgánicos Propiedades fisicas de materiales alimenticios y biológicos Propiedades de tuberías, ductos y tamices

939 943 953 978 981

Notación

984

Índice

993

Contenido

xi

Prefacio

En esta tercera edición, los objetivos principales y el formato de las ediciones primera y segunda no han variado. Las secciones sobre transferencia de momento lineal se han ampliado en gran medida, sobre todo las que se refieren a las ecuaciones diferenciales de la transferencia de momento lineal. Esto permite ahora cubrir por completo los procesos de transferencia de momento lineal, de calor y de masa. Por otra parte, a las secciones de operaciones unitarias se les agregaron una sección sobre adsorción y un capítulo ampliado sobre los procesos a través de membrana. En los últimos años, el campo de la ingenieria química relacionado con los cambios físicos y fisicoquímicos de materiales orgánicos e inorgánicos y, hasta cierto punto también, de los materiales biológicos, se ha ido mezclando con otras áreas de la ingenieria de procesos. Entre éstas están la ingeniería sanitaria o de tratamiento de aguas de desperdicio (ingeniería civil) y la bioingenieria. Todos estos campos utilizan los principios de momento lineal, transporte de masas y de calor, y operaciones unitarias en sus procesos, Tradicionalmente, la mayoría de los ingenieros toman cursos en los que estudian la transferencia de momento lineal o el flujo de fluidos y la transferencia de calor. El estudio de la transferencia de masas se ha limitado casi siempre a los ingenieros químicos. Sin embargo, recientemente se ha visto que los ingenieros de otras especialidades tienen interés en la transferencia de masas de gases, líquidos y sólidos. Puesto que el ingeniero químico de la actualidad debe estudiar muchos temas, resulta necesario proporcionar una introducción más unificada a los procesos de transporte de momento lineal (dinámica de fluidos), calor y transferencia de masas, y a las aplicaciones de operaciones unitarias. En este texto, se estudian primero los principios de los procesos de transferencia o transporte, para pasar después a las operaciones unitarias. Para lograr esto, el libro se divide en dos partes principales. PARTE 1: Principiosfindamentales

de procesos de transporte de momento lineal, de calor y de masa

Esta parte, que estudia los principios fundamentales, incluye los siguientes capítulos: 1, Introducción a los principios y unidades de la ingeniería; 2. Principios de transferencia de momento lineal y balances globales; 3. Principios de transferencia de momento lineal y aplicaciones; 4. Principios de

transferencia de calor en estado estacionario; 5. Principios de transferencia de calor estado no estacionario; 6. Principios de transferencia de masa; 7. Principios de la transferencia de masa convectiva y en estado no estacionario. PARTE 2: Operaciones unitarias Esta parte, dedicada a las aplicaciones, cubre las siguientes operaciones unitarias: 8. Evaporación; 9. Secado de materiales de proceso; 10. Procesos de separación gas-líquido por etapas y continuos (humidificación, absorción); ll. Procesos de separación vapor-líquido (destilación); 12. Procesos de separación líquido-líquido y líquido-sólido por etapas y continuos (adsorción, intercambio iónico, extracción, lixiviación, cristalización); 13. Procesos de separación de membrana (diálisis, separación de gases, ósmosis inversa, ultrafiltración); 14. Procesos de separación mecánico-físicos (filtración, sedimentación, separación centrifuga, reducción de tamaño mecánico). En el capítulo 1 se repasan algunos principios elementales de ingeniería, métodos gráficos y matemáticos, leyes de física y química, balances de materia y balances de calor. Muchos estudiantes, en especial los de ingeniería química, están ya familiarizados con la mayoría de estos principios y pueden omitir algunas partes del capítulo o su totalidad. Algunos temas relacionados con los procesos de materiales biológicos, pueden omitirse a discreción del estudiante o del profesor; por ejemplo, las secciones 2.10, 3.10,4.4,4.8, 5.4, 5.8, 6.7 y 7.11. El texto incluye más de 170 problemas de ejemplos y más de 380 problemas para ser resueltos por el estudiante. Algunos de estos últimos de estudio se relacionan con sistemas biológicos y fueron incluidos para los lectores especialmente interesados en esta área. Una de las características específicas de este libro es la división de cada capítulo en secciones elementales y secciones de temas selectos. En las secciones elementales (que aparecen al principio de cada capítulo) se estudian los principios fundamentales necesarios para una comprensión adecuada de los temas. Después, y dependiendo de las necesidades del lector o el profesor, pueden estudiarse diversos temas selectos. Por ejemplo, en el capítulo 2, las secciones 2.1 a 2.5 cubren los principios básicos y las secciones 2.6 a 2.13, identificadas como temas selectos, abarcan temas especializados o estudios avanzados de los principios básicos. Un caso típico son las secciones 2.6 (tema selecto) “Flujo compresible de gases” y la 2.10 (tema selecto) “Fluidos no newtonianos”, que por lo general se omiten en el estudio elemental de los principios básicos. La totalidad del texto se basa en este tipo de distribución de los temas de estudio. Este libro puede usarse para un curso formal, recomendándose entonces los siguientes planes, en todos los cuales puede incluirse o no el capítulo 1. 1. Estudio de los principios de transferencia de momento lineal, de calor y de masa, y de las operaciones unitarias. En este plan se estudia la mayor parte del texto que cubre los principios de los

procesos de transporte en la parte 1 y de las operaciones unitarias en la parte 2. Además, se puede incluir, si así se desea, varios temas selectos. Este plan puede aplicarse en especial a la ingeniería química y a otros campos de la ingeniería de procesos en curso de un año al nivel de los cuatro últimos semestres de licenciatura. 2. Estudio de los principios de transferencia de momento lineal, de calor y de masa , y de operaciones unitarias selectas. Sólo se cubren las secciones elementales de la parte 1 (los capítulos de

principios 2, 3,4 y 5), además de temas selectos de operaciones unitarias en la parte II aplicables a la especialización considerada para un curso de un semestre. Los estudiantes de ingeniería de tratamiento de aguas de desperdicio, ingeniería de procesos de alimentos y procesos metalúrgicos, pueden adoptar este plan. 3. Estudio de los principios de transferencia de momento lineal, de calor y de masa. El propósito de este plan para un curso de un semestre o un trimestre es el de obtener una comprensión básica de los procesos de transporte de transferencia de momento lineal, calor y masa. Esto implica el estudio de las secciones elementales y de temas selectos de los capítulos dedicados a los principios: 2, 3,4 y 5 en la parte 1, omitiendo la parte 2, es decir, los capítulos de aplicaciones de las operaciones unitarias. xiv

Prefacio

4. Estudio de las operaciones unitarias. Si el estudiante ya ha tomado cursos de principios de transferencia de momento lineal, de calor y de masa, los capítulos 2, 3 , 4 y 5 pueden omitirse y estudiarse solamente los correspondientes a operaciones unitarias de la parte II en un curso de un semestre o un trimestre. Este plan puede ser útil para ingenieros químicos y otras especialidades. 5. Estudio de transferencia de masa. Para estudiantes de ingeniería química o mecánica que han tomado cursos de transferencia de momento lineal y de calor, así como para los que sólo desean adquirir conocimientos generales de transferencia de masa en un semestre o un trimestre, se recomienda estudiar los capítulos 5 y 8. Los capítulos 7, 9 y 10 pueden cubrirse o no, dependiendo de los requerimientos del estudiante. La comunidad científica ya ha adoptado el sistema de unidades internacional SI (Systéme Internationale d ‘Unités) y el cambio se ha efectuado con gran rapidez. Debido a ello, este libro utiliza el sistema de unidades SI para ecuaciones, problemas de ejemplo y problemas de estudio. Sin embargo, las ecuaciones más importantes del texto se expresan en un sistema doble de unidades, SI e inglés, cuando ambos difieren. Algunos problemas de ejemplo y de estudio también se expresan en unidades inglesas, para aquellos que desean utilizar este sistema.

Christie J. Geankoplis

PARTE 1

Principios fundamentales de procesos de transporte de momento lineal de calor y de masa

CAPÍTULO 1

Introducción a los principios de ingenieria y sus unidades

1.1

CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS Y LOS PROCESOS DE TRANSPORTE

CAPÍTULO 1

Introducción a los principios de ingenieria y sus unidades

1.1

CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS Y LOS PROCESOS DE TRANSPORTE

l.lA Introducción En las industrias de procesos químicos y físicos, así como en las de procesos biológicos y de alimentos, existen muchas semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de entrada o de alimentación se modifican o se procesan para obtener los materiales finales de productos químicos o biológicos. Es posible considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente distintos, y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes llamadas operaciones unitarias. Estas operaciones unitarias son comunes a todos los tipos de industrias de proceso. Por ejemplo, la operación unitaria conocida como destilación se usa para purificar o separar alcohol en la industria de las bebidas y tam...