Solucionario Operaciones Unitarias Alan Foustl
Sacha Weakland
Ttulo original de la obra: PRINCIPLES OF UNIT OPERATIONS, 2nd.ed. ISBN 0-471-26897-6 Traduccin autorizada por: Copyright by JohnWiley and Sons, Inc. Traduccin: Ing. Francisco Torres Roldn RevisinTcnica: Ing. Qumico Antonio Eroles Gmez, Ph. D.
Principios de operaciones unitarias Derechos reservados respectoa la edicin en espaol: 1987, Alan S. Foust, Leonard A. Wenzel,Curtis W. Clump, Louis Maus, L. Bryce Andersen / John Wiley andSons, Inc. 1987, COMPAA EDITORlAL CONTINENTAL, S.A. DE C.V. 2000,GRUPO PATRIA CULTURAL, S.A. DE C.V. bajo el sello de CompaaEditorial Continental Renacimiento 180, Colonia San Juan Tlihuaca,Delegacin Azcapotzalco, Cdigo Postal 02400, Mxico, D.F.Miembro dela Cmara Nacional de la Industria Editorial Registro nm. 43 ISBN968-26-0776-0 Queda prohibida la reproduccin o transmisin total oparcial dl contenido de la presente obra en cualesquiera formas,sean electrnicas o mecnicas, sin el consentimiento previo y porescrito del editor. Esta obra se termin de imprimir en febrero del2006 en los talleres de Programas Educativos, S.A. de C.V. CalzoChabacano No. 65, Col. Asturias C.P. 06850, Mxico, D.F. EmpresaCertificada por el Instituto Mexicano de Normalizacin yCertificacin A.C. bajo la Norma ISO-9002: 1994/NMX-CC-004:1995 conel Nm. de Registro RSC-048
J. Stuart Hunter Princeton UniversityT. William Lambe R. V.Whitman Massachusetts Institute of Technology Perry L. McCartyStanford University Don T. Phillips Texas A & M Dale RuddUniversity of Wisconsin Robert F. Steidel, J r. . University ofCalifornia Berkeley R. N. White Cornell University
Operaciones de Transferencia de Masa 29 Relaciones de Fases 45Clculos de Etapas de Equilibrio 63 Operaciones de Multietapas aContracorriente 75 Operaciones de Multietapas a Contracorriente conReflujo Mtodos Simplificados de Clculo 109 Operaciones por Etapascon Multicomponentes 133
Transferencia de Calor 333 Transferencia de Masa 389Transferencia Simultnea de Calor y Masa-Humidificacin 425Transferencia Simultnea de Calor y Masa-Secado 459 TransferenciaSimultnea de Calor y Masa-Evaporacin y Cristalizacin El Balance deEnerga en Sistemas de Flujo 543 Aparatos para Impulsar Fluidos 581Flujo y Separacin de Partculas Slidas por Medio de la Mec611 nicade Fluidos APENDICE A Dimensiones y Unidades, Anlisis Dimensional yTeora de Modelos 685 APENDICE B Descripcin de los Slidos en Formade Partculas 697 APENDIGE C Datos para Diseo de Equipo 713 APENDICED Datos Fsicos 725 APENDICE E Ecuaciones de Cambios para VariosSistemas de Coordenadas 752
Despus de algunos aos, aun los libros de texto ms elementales enun campo dinmico deben actualizarse o pierden validez. Este solohecho obliga a una actualizacin que permita la inclusin de nuevastecnologas, nuevos anlisis y conceptos. Aunado a la expectativa deavances en la tecnologa de la ingeniera qumica, la poltica impuestapor el gobierno federal para cambiar al sistema mtrico decimal,obliga a los ingenieros qumicos a conocer ambos sistemas. Esto noser una imposicin por ahora para los ingenieros qumicos, pero laindustria requerir cambiar sus hbitos de clculo, as como losvalores, durante la prxima generacin . Durante algunos aos,probablemente se usar una mezcla de SI (Systeme Internationall ySistema Ingls, por lo que hemos considerado conveniente usar ambossistemas en este libro. Se aadieron dos nuevos captulos, escritosde tal forma que es posible eliminar uno de ellos o ambos sin queesto altere la continuidad. En el Cap. 8 se incluye la presentacinde las bases para separaciones en etapas mltiples de mezclasmulticomponentes, formuladas de tal manera que pueden adaptarsepara la evaluacin en computadora, pero escritas con la intencin deque los aspectos del cmputo no empaen a los conceptos bsicos de losprocesos de separacin. No se hace intento alguno por incorporartcnicas de matrices dispersas que permiten reducirconsiderablemente el tiempo de computadora que se necesita parallevar a cabo las evaluaciones . En el Cap. 11 se presentan lasecuaciones de cambio, bsicas para aquellos que deseen cubrir conmayor amplitud ese tpico. El estudio del texto completo requiereprobablemente ms horas de curso que el que la mayor parte de lasescuelas asignan para la eseanza de las operaciones unitarias. Porello, al igual que en la primera edicin, el material se presenta detal forma, que el profesor pueda omitir algunos captulos o bien,utilizar nicamente una o dos de las tres partes que componen ellibro. Hemos minimizado la inclusin de datos en los apndices cuandola informacin se encuentra disponible en el "Chemical EngineersHandbook". El material se encuentra ordenado de la misma forma queen la primera edicin para enfatizar las similitudes y ofrecer unaposible divisin para cursos de tres semestres. Estos puedensepararse en mecnica de fluidos, transferencia de calor ytransferencia de masa, para los cuales la siguiente distribucin hadado buenos resultados: 1. Mecnica de fluidos: Caps. 1,9,10 (partesde mecnica de fluidos), Caps. 11, 13, 14,20, 21 Y 22. 2.Transferencia de calor: Caps . 9, 10, 11, 12, 13, 14 (partes detransferencia de calor), Caps. 15. 3. Transferencia de masa: Caps.2,3,4,5,6, 7, 8; revisin breve de los Caps . 9, 10, 11,12, 13 Y 14;tambin los caps. 16, 17, 18 Y 19. Este libro ha sido utilizado conxito en cursos de instruccin autodirigida. Creemos que esta edicin,al igual que la primera, ser satisfactoria para aquellos profesoresque aprecian las ventajas docentes ofrecidas por un tratamiento delas operaciones unitarias que enfatiza sus principios comunes y suinterrelacin . La efectividad pedaggica de este enfoque ha sido yademostrada.ALAN S. FOUST LEONARD A. WENZEL CURTIS W. CLUMP LOUISMAUS L . BRYCE ANDERSEN
El tratamiento que se les da en este libro a las operacionesunitarias, enfatiza los principios cientficos sobre los que sebasan las operaciones y agrupa aquellas que tienen bases fsicassimilares para que puedan analizarse juntas. El desarrollo comienzapor lo regular con un anlisis del comportamiento fsico de unsistema y el establecimiento de un modelo fsico simplificado. Seexpresa una relacin matemtica bsica basada en el modelo y seresuelve. La expresin general resultante se apl ica entonces a laoperacin unitaria especfica. Con objeto de mantener la claridad dela presentacin a un nivel elemental, es comn omitir el refinamientode los modelos fsicos y las expresiones matemticas elaboradas paraun riguroso tratamiento de situaciones complejas, y con el propsitode enfatizar las similitudes que existen entre diversas operacionesunitarias, la descripacin de los equipos y los mtodos de clculoespecializados se presenta en forma condensada. Sin embargo, yaque- la visualizacin de un equipo . ayuda a comprender eltratamiento terico y puesto que el ingeniero joven debefamiliarizarse con los principales tipos de equipo, se muestran laspiezas importantes del equipo de proceso en dibujos y fotografasque se estudian brevemente. Despus de desarrollar los principiosfundamentales, se consideran los aspectos ms importantes de losmtodos especializados de clculo para el diseo de procesos. Elconcepto tradicional de operaciones unitarias ha sido un factor degran importancia en el xito de los ingenieros qumicos y de laingeniera qumica en los ltimos cincuenta aos. Creemos que launificacin presentada aqu es el paso lgico que sigue en la evolucindel concepto de operaciones unitarias. Ofrecemos este tratamientoporque consideramos que es ms eficiente en la enseanza, ms econmicoen tiempo, ms adecuado en su presentacin de los f undamentos y msefectivo en el entrenamiento necesario para definir y resolver losproblemas relacionados con los procesos qumicos. Este libro debeservir como base para un t rabajo avanzado en la teora y prctica msespecializadas de las operaciones unitarias individuales. Elingeniero educado con este enfoque puede no ser un experto en elmanejo de un procedimiento especializado de clculo, pero podrcomprender los principios fundamentales, observar las similitudesexistentes entre muchas operaciones unitarias y ser ms flexible yoriginal en la solucin de nuevos problemas de proceso . En resumen,podr adaptarse con mayor facilidad al cambio y al progreso . Elcrecimiento rpido y continuo del conocimiento de las operacionesunitarias ha originado serios problemas en los estudios de estainformacin dentro del tiempo asignado a los programas delicenciatura . El creciente nmero de etapas de proceso que puedenconsiderarse como operaciones unitarias y la amplitud de su campode operacin, obliga a que la instruccin sea ms sistemtica yadaptable a nuevas operaciones. Este tratamiento, con su unificacinde principios para operaciones similares, hace posible mantener unbalance entre las operaciones unitarias y otros aspectos vitalesdel aprendizaje de la ingeniera qumica. Muchos de los clculosformales que tuvieron ocupados a los ingenieros qumicos en elpasado, sern realizados en breve por computadoras electrnicas. Losclculos para destilacin de multicomponentes y evaporacin en mltipleefecto ya pueden programarse para su clculo en computadora. Se estnllevando a cabo estudios para el uso de computadoras en el diseo dereactores qumicos, para determinar la dinmica de un sistema duranteel arranque, para predecir y optimizar la respuesta de sistemas alcontrol automtico y para auxiliar en muchas otras aplicaciones. Eluso de una computadora para hacer en minutos lo que antes tomabameses-hombre de t iempo de ingeniera ha abierto muchos caminos aldesarrollo . Un camino es, por ejemplo , qu problemas complejos deingeniera, los cuales antes eran resueltos en forma aproximada y enocasiones slo cualitativamente, pueden ahora ser resueltos con granprecisin . Muchas de estas aplicaciones se encuentran en el campode la economa de procesos, como por ejemplo, en la optimizacin deproductos en una refinera de petrleo. Otro camino puede ser elhecho de que los procedimientos de clculo rigurosos, aunque te-
diosos, empiezan a ser ms atractivos que los mtodos aproximadoso abreviados . Esto sucede ya en mayor o menor grado en el campo dela destilacin de multicomponentes. Para que el trabajo de este tiposea efectivo, el ingeniero qumico con un amplio conocimiento delmecanismo del proceso, debe cooperar con el matemtico que entiendelas posibilidades matemticas y limitaciones de la computadora.Entonces, se necesitan cada vez ms ingenieros qumicos con un amplioconocimiento de las caractersticas fundamentales de las operacionesde proceso, y con antecedentes matemticos suficientes para poderdescribir esas operaciones con un modelo matemtico. Elentrenamiento tradicional en los detalles de un mtodo de clculo sloes importante ahora como una disciplina mental. Con el conocimientocreciente de los principios fundamentales, es posible clasificarlas operaciones unitarias en grupos de acuerdo con la similitud desus principios. En este libro se consideran dos grupos principales:las operaciones en etapas y las operaciones de velocidad. Lasoperaciones en etapas se analizan mediante un modelo general que seaplica a todas las operaciones de transferencia de masa . Lasoperaciones de velocidad SEl presentan con un estudio de losprincipios del transporte molecular y turbulento. Despus que sedescriben las similitudes fundamentales de cada grupo, se aplicanlos principios al anlisis de las operaciones ms comunes de cadagrupo. En la Parte 1, se presenta un tratamiento generalizado delas operaciones de transferencia de masa en etapas. Se desarrollaun mtodo de clculo basado en el modelo fsico de una etapa deequilibrio, sin inovolucrar la naturaleza de las fases en contacto.Se presentan ejemplos especficos tomados de las diversasoperaciones de transferencia de masa. Las operaciones en etapas sepresentan primero debido a que se basan en conceptos simples deestequiometra y equilibrio y por tanto, siguen en form9 lgica elcurso de estequiometra que por lo general precede a los cursos deoperaciones unitarias. La cobertura total de la Parte I requiere almenos de dos horas-semestre. Los principios fundamentales de lasoperaciones de velocidad se desarrollan en la Parte 11. Se incluyenaquellas operaciones en las cuales una propiedad de una fase sedifunde o transfiere bajo la influencia de un gradiente. Seconsidera en detalle el transporte molecular y turbulento de calor,masa y momento. La turbulencia se explica a un nivel elemental, sinentrar en conceptos abstractos y rigurosos, necesarios para unestudio ms avanzado. La cobertura total del material comprendido enla Parte 11 requiere al menos de tres horas-semestre. Nuestraexperiencia indica que es posible estudiarla en tres horas-semestreslo si las secciones del Cap. 13 se cubren de manera superficial yse repasan al estudiar las operaciones correspondientes en la Parte111. En la Parte 111 se aplican los principios introducidos en lasPartes I y 11, presentando los clculos involucrados en el diseo deequipo de proceso para las distintas operaciones. Nuestro objetivoes llevar a cabo una transicin del principio a la prctica sincomplicar los principios con un exceso de detalles prcticos ymtodos especiales. Debido a que la Parte 111 depende de la Parte 11y, en menor grado, de la Parte 1 recomendamos que la Parte 111 seaestudiada s, lo despus de haber cubierto por completo las otras dospartes anteriores. Todo el material de la Parte 111 puede cubrirseen cuatro horas-semestre. El orden de presentacin de los temasprincipales de la Parte 111 es flexible y puede ordenarse deacuerdo con los deseos del profesor. Por ejemplo, la transfernciade momento (Caps. 20 al 22) puede ser cubierta antes que latransferencia de calor y de masa (Caps. 15 al 19) . Con esta flexibilidad, el profesor es libre de omitir temas a su eleccin. Enel Apndice A se estudian las dimensiones, unidades y el anlisisdimensional. Estos temas se incluyen en el apndice para evitardistracciones en el desarrollo de los principios. El conocimientode las dimensiones y unidades como se presenta en el Apndice A esnecesario para la Parte 11. Los conceptos'de anlisis dimensionalson fundamentales para los principios que se desarrollan en el Cap.13. Si estos aspectos no han sido estudiados con anterioridad,pueden introducirse cuando sea necesario. Es posible presentarmaterial suplementario al de los apndices si el profesor as loconsidera conveniente. En el Apndice B se presentan aspectosrelacionados con la medicin y descripcin de partculas pequeas. Estematerial es relevante para cualquier operacin que involucre lapresencia de una fase slida en forma de partculas y en especial,para aquellas que se estudian en los Caps. 18, 19 y 22. Se omitenotros aspectos sobre la tecnologa de partculas pequeas, debido aque con frecuencia son temas de cursos especializados. Se puedecubrir el libro completo en nueve o diez horas-semestre. Con unaseleccin cuidadosa del material y un anlisis abreviado de aquellostemas que el profesor considere menos tiles, es posible cubrir ellibro en ocho horas-semestre. La Parte 11 puede servir como ncleopara un curso bsico de' tres horas en operaciones de transportepara ingenieros, si se seleccionan las aplicaciones de la Parte111. Un curso de esta naturaleza va de acuerdo con lasrecomendaciones de la American Society for Engineering Education ,para un estudio ms unificado de la transferencia de calor, masa ymomento.
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