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TRANSFERENCIA DE MASA

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TRANSFERENCIA DE MASA TRANSFERENCIA DE MASA Los fen menos de transferencia de masa se refieren al movimiento de las mol culas o de corrientes de fluido causadas por ... – PowerPoint PPT presentation

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Title: TRANSFERENCIA DE MASA


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TRANSFERENCIA DE MASA
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TRANSFERENCIA DE MASA
  • Los fenómenos de transferencia de masa se
    refieren al movimiento de las moléculas o de
    corrientes de fluido causadas por una fuerza
    impulsora.
  • Incluye no sólo la difusión molecular sino el
    transporte por convección.
  • La transferencia de masa ocurre en toda reacción
    química, ya sea dentro de un reactor industrial,
    un fermentador o un reactor de laboratorio.
  • Los principales campos de interés de la
    transferencia de masa son la difusión molecular,
    el transporte de masa por convección y el
    transporte de masa entre fases.

3
  • El transporte de masa por convección es el
    proceso por el cual los gases salientes de una
    chimenea se dispersan en la atmósfera y mediante
    el que se lleva a cabo el mezclado de dos
    corrientes.
  • La transferencia entre dos fases es especialmente
    importante para los ingenieros químicos por que
    es la que se da en la mayoría de los procesos de
    separación, tales como la humidificación, secado,
    absorción, destilación, extracción líquido
    líquido, entre otros.

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  • Al transporte de materia se entiende al
    movimiento de uno o mas componentes, bien dentro
    de una misma fase o su paso de una a otra fase.
    Ejemplos de operaciones en que tiene lugar este
    fenómeno son cristalización, extracción,
    absorción, destilación, entre otros.
  • Siempre que en una fase haya un gradiente de
    concentración de uno de los componentes , se
    produce transporte de materia en el sentido de
    las concentraciones decrecientes.

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(No Transcript)
6
  • Por lo tanto, la transferencia de masa es la masa
    en tránsito como resultado de una diferencia en
    la concentración de especies en una mezcla.
  • Este gradiente de concentración proporciona el
    potencial de impulso para el transporte de esas
    especies o componentes, esta condición se
    denomina difusión ordinaria.
  • Esta pertenece a una de las 2 condiciones
    restrictivas y la otra es que los flujos se
    miden en relación con coordenadas que se mueven
    con la velocidad promedio de la mezcla.

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  • La transferencia de calor por conducción y la
    difusión de masa son procesos de transporte que
    se originan en la actividad molecular.
  • Una división delgada separa los gases A y B.
    Cuando se elimina la división, los gases difunden
    entre ellos hasta que se establece el equilibrio
    y la concentración de los gases dentro de la caja
    es uniforme.

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Ejemplo
9
  • En las operaciones de transferencia de masa,
    ninguna de la fases en el equilibrio consta de un
    único componente. Por ello, cuando inicialmente
    se ponen en contacto las dos fases, no constan
    (excepto en forma casual) de la composición que
    tienen en el equilibrio.
  • Entonces, el sistema trata de alcanzar el
    equilibrio mediante un movimiento de difusión
    relativamente lento de los componentes, los
    cuales se transfieren parcialmente entre las
    fases en el proceso.

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  • La difusión de masa ocurre en
  • Líquido
  • Sólidos
  • Gases
  • Como la transferencia de masa está fuertemente
    influida por el espacio molecular, la difusión
    ocurre más fácilmente en gases que en líquidos y
    más fácilmente en líquidos que en sólidos.

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  • El transporte de un elemento de una solución
    fluida, de una región de más alta concentración a
    una región de más baja concentración, se llama
    transferencia de masa.
  • Usamos el término de transferencia de masa para
    describir el movimiento relativo de especies en
    una mezcla debido a la presencia de gradientes de
    concentración.

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  • El calor se transfiere en una dirección que
    reduce un gradiente de temperatura existente, la
    masa se transfiere en una dirección que reduce un
    gradiente de concentración existente.
  • La transferencia de masa cesa cuando el gradiente
    de concentración se reduce a cero.
  • La rapidez de la transferencia de masa depende
    del potencial impulsor y de la resistencia. La
    transferencia de masa puede ocurrir dentro de la
    fase gas o dentro de la fase líquido.

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CLASIFICACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE MASA
  • Molecular
  • Si una solución es completamente uniforme con
    respecto a la concentración de sus componentes,
    no ocurre ninguna alteración en cambio si no es
    uniforme, la solución alcanzará espontáneamente
    la uniformidad por difusión, ya que las
    sustancias se moverán de un punto de
    concentración elevada a otro de baja
    concentración. La rapidez de transferencia puede
    describirse adecuadamente en función del flujo
    molar, o moles/(tiempo)(área), ya que el área se
    mide en una dirección normal a la difusión.

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  • Convectiva
  • La masa puede transferirse debido al movimiento
    global del fluido. Puede ocurrir que el
    movimiento se efectúe en régimen laminar o
    turbulento. El flujo turbulento resulta del
    movimiento de grandes grupos de moléculas y es
    influenciado por las características dinámicas
    del flujo. Tales como densidad, viscosidad, entre
    otros.

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DIFUSIÓN Y DIFUSIVIDAD
  • La difusión es el movimiento, bajo la influencia
    de un estimulo físico, de un componente
    individual a través de una mezcla. La causa más
    frecuente de la difusión es un gradiente de
    concentración del componente que difunde. Un
    gradiente de concentración tiende a mover el
    componente en una dirección tal que iguale las
    concentraciones y anule el gradiente.

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  • La difusión puede ser originada por un
  • Gradiente de concentración,
  • Gradiente de presión (difusión de presión),
  • Gradiente de temperatura (difusión térmica),
  • Y la debida a un campo externo (difusión forzada).

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  • Existe una analogía entre la difusión y la
    transferencia de calor, en ambos la causa del
    flujo es un gradiente y la densidad de flujo es
    directamente proporcional al gradiente.

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  • Magnitudes de difusión En la teoría de difusión
    se utilizan 5 conceptos relacionados entre sí
  • La velocidad u, definida en la forma habitual de
    longitud/tiempo.
  • La densidad de flujo N a través de un plano, en
    moles/área-tiempo.
  • La densidad de flujo J con relación a un plano de
    velocidad nula, en moles/área-tiempo.
  • La concentración c y la densidad molar ?M,
    moles/volumen.
  • El gradiente de concentración dc/db, donde b es
    la longitud del camino perpendicular al área a
    través de la cual tiene lugar la difusión.

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  • Aunque la causa habitual de la difusión es un
    gradiente de concentración, la difusión también
    puede ser originada por un
  • Gradiente de presión, difusión de presión.
  • Gradiente de temperatura, difusión térmica.
  • Por la aplicación de una fuerza externa como el
    caso de una centrífuga, difusión forzada.
  • La difusión también tiene lugar en fases fluidas
    debido a la mezcla física o a los remolinos del
    flujo turbulento, difusión en régimen
    turbulento.

20
Difusividad
  • La difusividad es una característica de un
    compuesto y de su entorno (temperatura, presión,
    concen- tración), ya sea en una solución líquida,
    gaseosa o sólida y la naturaleza de los otros
    componentes.

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Difusión en gases
  • Gilliland ha propuesto una ecuación semiempírica
    para el coeficiente de difusión en gases

D está en centímetros cuadrados por segundo T
está en ºK p es la presión total del sistema en
newtons por metro cuadrado VA y VB son los
volúmenes moleculares de los componentes A y B MA
y MB son los pesos moleculares de los componentes
A y B.
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LEY DE FICK
  • La rapidez de difusión se expresa por la ley de
    difusión de Fick, la cual establece que el flujo
    de masa por unidad de área de un componente es
    proporcional al gradiente de concentración.

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Tipos de transporte (analogías)
  • La ecuación de conducción de calor describe el
    transporte de energía.
  • La ecuación de viscosidad describe el transporte
    de momento a través de las capas fluidas.
  • La ley de difusión describe el transporte de masa

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  • Para gases, la ley de Fick puede expresarse en
    función de las presiones parciales utilizando la
    ecuación de estado de los gases perfectos. (Esta
    transformación funciona sólo con gases a
    presiones bajas o en estados en los que es
    aplicable la ecuación de estado de los gases
    perfectos.)

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PRIMERA LEY DE FICK
  • La densidad de flujo JA se supone que es
    proporcional al gradiente de concentración
    dcA/db, y a la difusividad del componente A en su
    mezcla con el componente B, que se representa por
    D
  • Para el componente B se deduce una ecuación
    similar
  • Estas dos ecuaciones corresponden a la primera
    ley de Fick de la difusión para una mezcla
    binaria.

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Obsérvese que esta ley esta basada en tres
decisiones
  1. La densidad de flujo está en moles/área-tiempo.
  2. La velocidad de difusión es relativa a la
    velocidad volumétrica media.
  3. El potencial impulsor está en términos de
    concentraciones molares (moles de componente A
    por unidad de volumen).

Las dimensiones de DAB son longitud al cuadrado
por tiempo, y generalmente se expresa en m2 por
segundo o en cm2 por segundo.
27
Otra forma de representar la primera ley es la
siguiente
Para flujo masa
  • Donde
  • JA flujo de masa de la especie A
  • DAB coeficiente de difusió binaria o
    difusividad de masa DAB
  • gradiente en la fracción masa de la
    especie A
  • densidad de la masa de la mezcla en
    Kg/m3

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Para un flujo molar
Donde JA flujo de masa de la especie A
(kmol/s . m2) DAB coeficiente de difusión
binaria o difusividad de masa DAB C
Concentración molar total de la mezcla (Kmol/m3
gradiente de la fracción molar de la
especie A
29
De las expresiones anteriores, también se derivan
las siguientes ecuaciones
Donde
, Flujo absoluto de la especie A y B
respectivamente
, Fracción masa de la especie A y B
respectivamente DAB coeficiente de difusión
binaria o difusividad de masa DAB
30
Donde
C Concentración molar total de la
mezcla (Kmol/m3)
Flujo molar absoluto de la especie A
Gradiente de fracción molar del
componente A
Fracción molar del componente
A DAB coeficiente de difusión binaria o
difusividad de masa DAB
31
  • La difusión a través de sólidos se evalúa
    mediante la SEGUNDA LEY DE FICK
  • siendo ? el tiempo, CA la concentración de A
    en kgmol / m3 y x, y, z las coordenadas
    cartesianas en las que puede tomar lugar la
    difusión.

32
(No Transcript)
33
(No Transcript)
34
  • Un grupo de operaciones para la separación de
    componentes de mezclas está basado en la
    transferencia de materia desde una fase homogénea
    a otra. Contrariamente a las separaciones
    puramente mecánicas, estos métodos utilizan
    diferencias en la presión de vapor o la
    solubilidad, en vez del tamaño o la densidad de
    las partículas.
  • La fuerza impulsora para la transferencia es una
    diferencia de concentración o un gradiente de
    concentración, de la misma forma que una
    diferencia de temperatura o un gradiente de
    temperatura constituye la fuerza impulsora para
    la transmisión de calor.
  • Estos métodos, agrupados bajo la denominación de
    operaciones de transferencia de materia,
    incluyen técnicas tales como destilación,
    absorción de gases, deshumiditicación, extracción
    líquido-líquido, lixiviación, cristalización, etc.

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(No Transcript)
36
  • Los problemas de transferencia de materia se
    pueden resolver por dos métodos esencialmente
    diferentes
  • uno que utiliza el concepto de etapas de
    equilibrio, y
  • otro basado en la velocidad de los procesos de
    difusión.
  • La selección del método depende del tipo de
    equipo en el que se realiza la operación.

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  • La destilación, la lixiviación y, a veces, la
    extracción líquido-líquido se realizan en equipos
    tales como baterías de mezcladores-sedimentadores
    , baterías de difusión o torres de platos, que
    contienen una serie de unidades de proceso
    discretas los problemas en estas situaciones se
    resuelven generalmente mediante el cálculo de
    etapas de equilibrio.
  • La absorción de gases y otras operaciones que se
    llevan a cabo en torres de relleno o equipos
    similares, generalmente se tratan utilizando el
    concepto de un proceso difusional.
  • Sin embargo, todos los cálculos de transferencia
    de materia requieren el conocimiento de las
    relaciones de equilibrio entre fases.

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Equilibrio entre fases
  • Si dos fases llegan al equilibrio se alcanza un
    límite en la transferencia de materia, de forma
    que dicha transferencia se anula. Para que un
    proceso se realice con una velocidad de
    producción razonable, es necesario evitar la
    proximidad del equilibrio, ya que la velocidad de
    transferencia en cualquier punto es proporcional
    a la fuerza impulsora que viene dada por el
    alojamiento del equilibrio en dicho punto.
  • Por tanto, para evaluar fuerzas impulsoras el
    conocimiento del equilibrio entre fases adquiere
    una importancia fundamental. En transferencia de
    materia son importantes diferentes tipos de
    equilibrio entre fases.

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Clasificación de los equilibrios
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(No Transcript)
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OPERACIONES DE ETAPAS DE EQUILIBRIO
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  • Uno de los tipos de dispositivos en transferencia
    de materia consiste en el acoplamiento de
    unidades o etapas, conectadas entre sí de forma
    que los materiales que se someten a procesamiento
    pasan sucesivamente a través de cada etapa. Las
    dos corrientes circulan en contracorriente a
    través del equipo en cada etapa, se ponen en
    contacto, se mezclan y se separan. Estos sistemas
    de múltiple etapa reciben el nombre de cascadas.

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Operaciones gas-liquido
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Destilación
La destilación es un proceso de separación que
consiste en eliminar uno o más de los componentes
de una mezcla. Para llevar a cabo la operación
se aprovecha la diferencia de volatilidad de los
constituyentes de la mezcla, separando o
fraccionando éstos en función de su temperatura
de ebullición. Se usa para concentrar mezclas
alcohólicas y separar aceites esenciales así como
componentes de mezclas líquidas que se deseen
purificar
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TIPOS DE DESTILACIÓN
http//www.youtube.com/watch?vW7Vlxn4e2v0feature
related
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(No Transcript)
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Esquema general de una columna de destilación
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Destilación simple
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  • Equipos exteriores de una columna de destilación
  • 1. REHERVIDOR, EBULLIDOR O CALDERÍN
  • Intercambiador de calor que proporciona la
    energía a la columna para mantener las corrientes
    de líquido y vapor en estado de saturación.
  • Clases de rehervidores según el intercambiador
    usado y la localización en la columna
  • Chaquetas de calentamiento en la parte inferior
    de la columna
  • Intercambiador tubular interno en el fondo de la
    columna
  • Intercambiador tubular externo
  • (ver esquemas en la Fig. 9.29, pág. 434 de
    Treybal)
  • Cuando se va a destilar una mezcla acuosa,
    donde el agua es el componente pesado, se usa
    vapor vivo para el calentamiento.

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Clases de rehervidores según el funcionamiento
a) Rehervidor parcial b) Rehervidor total
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2. CONDENSADOR Intercambiador tubular que
condensa el vapor que llega a la parte superior
de la columna. El vapor condensado retorna a la
columna como reflujo y lo demás se retira como
destilado. Clases de condensadores según el
funcionamiento
a) Condensador parcial
b) Condensador total
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3. ACUMULADOR DE REFLUJO Tanque que recibe la
corriente proveniente del condensador. El
acumulador permite una holgura operacional que
puede mantener en funcionamiento la columna
cuando se presentan problemas con el
condensador. Existen columnas complejas donde
se presenta alimentación múltiple, varias salidas
laterales de productos, y donde pueden haber
condensadores y rehervidores intermedios a lo
largo del equipo.
63
  • Accesorios internos de una columna de destilación
  • 1. Columnas de platos
  • Platos
  • Distribuidor del alimento
  • 2. Columnas empacadas
  • Empaque
  • Platos soporte para el empaque
  • Distribuidor del alimento
  • Colectores y redistribuidores de líquido

64
(No Transcript)
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(No Transcript)
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Esquema de una columna de platos sencilla
http//www.youtube.com/watch?vRlS2mFehnFQ
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TIPOS DE PLATOS
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La destilación fraccionada vista como
destilaciones instantáneas en serie
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Etapa de equilibrio en una columna de destilación
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NOMENCLATURA
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Representación de las corrientes que entran y
abandonan el plato n en el diagrama de equilibrio
T-X-Y
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Esquema básico de una columna para realizar los
balances de materia
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Balance global
Total
Componente volátil
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Balance sector enriquecimiento
Total
Componente volátil
Línea operativa sector enriquecimiento L.O.S.E.
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Balance sector agotamiento
Total
Componente volátil
Línea operativa sector agotamiento L.O.S.A.
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Parámetros importantes que definen el grado de
separación de una mezcla en una columna de
destilación 1. Relación de reflujo externa, R
Lo / D 2. Relación de reflujo interna, L / V 3.
Número de etapas teóricas o unidades de
transferencia Métodos simples para calcular
parámetros de separación en sistemas binarios 1.
Método de McCabe - Thiele 2. Método de Ponchon y
Savarit
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  • Para aplicar este método es necesario conocer
  • la fase de la alimentación (el porcentaje de
    vaporización)
  • la naturaleza del condensador, si es parcial o
    total
  • relación del reflujo a reflujo mínimo
  • la composición del destilado y del fondo
  • se considera que la presión es constante a lo
    largo de la columna
  • Gracias a este método se puede determinar
  • Número de etapas de equilibrio N
  • Número mínimo de etapas necesarias Nmin
  • Reflujo mínimo Rmin
  • Plato de alimentación óptimo

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Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc
Cabe
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Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc
Cabe
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Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc
Cabe
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Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc
Cabe
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Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc
Cabe
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Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc
Cabe
j)      Se calcula el número de platos reales,
conocida la eficacia de plato (que varía entre 0
y 1). El valor obtenido se redondea hacia arriba.
Así k) se calculan las necesidades
energéticas de la columna, conocidos los calores
latentes de cambio de estado, ?
84
Condiciones límites de operación
Aumento de la razón de reflujo
85
Condiciones límites de operación
Disminución de la razón de reflujo
86
Condiciones límites de operación
Reflujo Total
87
Condiciones límites de operación
Reflujo mínimo
88
Condiciones límites de operación
RDopt 1,2-2 RD min
89
PROBLEMA
Se desea diseñar una columna de rectificación
para separar 10.000kg/h de una mezcla que
contiene 40 de benceno y 60 de tolueno, con el
fin de obtener un producto de cabeza (destilado)
con 97 de benceno y un producto de cola
(residuo) con 98 de tolueno. Todos estos
porcentajes están en peso. Se utilizará una
relación de reflujo externa de 3,5. El calor
latente de vaporización, tanto del benceno como
del tolueno, puede tomarse igual a 7675 cal/mol.
El calor latente del vapor de agua saturado es de
533,6 cal/g. a) Calcular los caudales de
destilado y residuo producidos. b) Determinar el
número de platos ideales líquido.   Datos de
equilibrio del sistema Benceno-Tolueno a 760 mmHg
90
PM (C7H8 ) 92 g/mol PM (C6H6) 78 g/mol
(alimentación benceno)
(destilado benceno)
(residuo benceno)
91
Calculo de caudales de destilado y residuo
92
(No Transcript)
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(No Transcript)
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Línea de alimentación (f0)
Línea alimentación (f0)
95
Línea operativa del sector de enriquecimiento LOSE
96
Línea alimentación (f0)
LOSE (y 0.7778x0.2165)
97
Línea alimentación (f0)
LOSE (y 0.7778x0.2165)
LOSA
98
Sector enriquecimiento
1
2
3
4
5
99
Sector enriquecimiento
Sector Agotamiento
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
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