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Tema 1: Absorcin
I. INTRODUCCION
En este trabajo se ha realizado con la finalidad de conocer un poco sobre el proceso de absorcin, en
cuanto a su tipo, aplicacin, usos y modelos. El cual nos enseara algunos conceptos bsicos de este
proceso como: La absorcin es una operacin en la cual una mezcla gaseosa se pone en contacto con
un lquido, a fin de disolver de manera selectiva uno ms componentes del gas y de obtener una
solucin de stos en el lquido. Por ejemplo, el gas obtenido como subproducto en los hornos de
coque, se lava con agua para eliminar el amoniaco; despus se lava con un aceite para eliminar los
vapores de benceno y de tolueno. Para que el molesto sulfuro de hidrgeno sea eliminado de un gas
de este tipo o de hidrocarburos gaseosos naturales, el gas o los hidrocarburos se lavan con diferentes
soluciones alcalinas que absorben a dicho sulfuro. Seguidamente tiene dos tipos, fsica y qumica, la
primera se realiza entre una mezcla de gases o parte de ella y un disolvente lquido en este no existe
reaccin qumica entre el absorbente sucede cuando se utiliza agua o hidrocarburos como disolvente,
el segundo es una reaccin qumica entre el absorbida y las sustancias absorbentes. A veces se
combina con la absorcin fsica. Este tipo de absorcin depende de la estequiometra de la reaccin y
la concentracin de los reactivos. En la absorcin qumica se da una reaccin en la fase lquida, lo que
ayuda a que aumente la velocidad de la absorcin. Es muy til para transformar los componentes
nocivos o peligrosos presentes en el gas de entrada en productos inocuos.
En cuento a la aplicacin tiene una variedad, columnas de absorcin es la separacin que se propone
en una de ellas se realiza a travs de varias etapas de equilibrio con o sin alimento, o con o sin
corriente la cual permite poner en contacto dos fluidos a contracorriente dentro de una columna de
acrlico, rellena de anillos rashing, donde el componente de inters de la fase gaseosa se transfiere a la
fase lquida, la cromatografa es la tcnica ms desarrollada en los ltimos aos, empleada en la
qumica analtica con una metodologa imprescindible en estudios bioqumicos, toxicolgicos,
estructurales. Absorcin de gases en lquidos ocurre durante el proceso de limpieza por frotamiento,
es una operacin de unidad de ingeniera qumica estndar, desarrollada desde el punto de vista
tcnico y relativamente bien comprendida. Cuando se trabaja con concentraciones comparativamente
elevadas de un gas contaminante (del orden del 1% o ms), es prctica frecuente utilizar un sistema de
flujo a contracorriente en una unidad tal como una torre de absorcin empaquetada. En cuanto a los
modelos pues se usa en las siguientes: absorcin en torres empacadas es una operacin unitaria en la
cual se disuelve en un lquido uno o ms componentes solubles de una mezcla gaseosa. Torres de
absorcin de platos consisten en cilindros dnde se ponen en contacto ntimo sobre charolas o platos
una fase gaseosa y una liquida para que se verifique una transferencia de masa de una fase a la otra y
viceversa.
II. BASES TEORICOS
ABSORCIN
DEFINICIN
El proceso de absorcin es donde ocurre una transferencia de masa desde la fase gaseosa hasta lquida
se denomina absorcin, en el cual uno o ms de los componentes de una mezcla gaseosa pasa a un
lquido en el que es soluble. El proceso inverso, donde ocurre la separacin de uno de los
componentes de una mezcla lquida por medio de un gas recibe el nombre de desorcin.
La absorcin puede ser qumica o fsica, segn exista o no interaccin qumica entre el soluto y el
absorbente. Tambin es reversible, comnmente, lo que permite combinar en una misma planta
procesos de absorcin y desorcin, con vistas a regenerar el absorbedor para reutilizarlo y poder
recuperar el componente absorbido, muchas veces con elevada pureza.
Se utiliza con diferentes propsitos en la industria, tales como la separacin de uno o ms
componentes de una mezcla gaseosa y la purificacin de gases tecnolgicos.
Ejemplos, se emplea como etapa principal un proceso de absorcin estn las de obtencin de cido
sulfrico, la fabricacin de cido clorhdrico, la produccin de cido ntrico, procesos de absorcin de
NH3, CO2, H2S y otros gases industriales.
La transferencia de masa de un proceso de absorcin se realiza a travs de la superficie de contacto
entre las fases. La velocidad de la transferencia de masa depende directamente de esta superficie
interfacial.
La absorcin tambin realiza
Recuperacin un componente gaseoso deseado.
Eliminar un componente gaseoso no deseado. Se puede tratar, por ejemplo, de la eliminacin
de una sustancia nociva de una corriente de gases residuales.
Obtencin de un lquido; un ejemplo sera la produccin de cido clorhdrico por absorcin de
HCl gaseoso en agua.
En la absorcin participan por lo menos tres sustancias: el componente gaseoso a separar, el gas
portador y el disolvente.
DIFUSIN:
Transferencia de masa que sigue un principio basado en una gradiente impulsor y una propiedad de
transporte denominada Difusividad.
Difusin molecular
RELACIONES DE EQUILIBRIO
Es la transferencia de un componente de una fase gaseosa a una fase lquida se da cuando existe una
diferencia de concentracin. El equilibrio se alcanza cuando la presin ejercida por el componente en
la fase gaseosa se iguala a la presin parcial del componente en la fase lquida.
III. TIPOS
LA ABSORCIN FSICA: Se realiza entre una mezcla de gases o parte de ella y un disolvente
lquido. Esta trata de la transferencia de masa que tiene lugar en la interface entre el lquido y el gas y
la velocidad a la que el gas se difunde en un lquido. Este tipo de absorcin depende de la solubilidad
de los gases, la presin y la temperatura.
En este tipo de absorcin el gas se elimina por tener mayor solubilidad en el solvente que otros gases.
No existe reaccin qumica entre el absorbente sucede cuando se utiliza agua o hidrocarburos como
disolvente
LA ABSORCIN QUMICA: La absorcin qumica o absorcin reactiva es una reaccin qumica
entre el absorbida y las sustancias absorbentes. A veces se combina con la absorcin fsica. Este tipo
de absorcin depende de la estequiometra de la reaccin y la concentracin de los reactivos. El gas
que se va eliminar en este tipo reacciona con el solvente y queda en solucin. Puede ser reversible o
irreversible.
En este tipo se da una reaccin qumica en la fase lquida, lo que ayuda a que aumente la velocidad de
la absorcin. Es muy til para transformar los componentes nocivos o peligrosos presentes en el gas
de entrada en productos inocuos.
IV. APLICACIONES Y USOS
1. COLUMNAS DE ABSORCION
Es la separacin que se propone en una de ellas se realiza a travs de varias etapas de equilibrio con o
sin alimento, o con o sin corriente la cual permite poner en contacto dos fluidos a contracorriente
dentro de una columna de acrlico, rellena de anillos rashing, donde el componente de inters de la
fase gaseosa se transfiere a la fase lquida.
Para los operadores y diseadores de planta, es necesario conocer las caractersticas del flujo y de la
transferencia de masa dentro de la columna.
COLUMNA DE ABSORCIN DE GAS DE PARED HMEDA
Las columnas de pared hmeda pueden utilizarse para determinar coeficientes de transferencia de
masa gas-lquido, esencial a la hora de calcular el diseo de las torres de absorcin. Dichos
coeficientes forman la base de las correlaciones usadas para desarrollar torres de relleno. El gas de
pared hmeda examina la absorcin en agua desoxigenada (preparada por aspersin de nitrgeno) de
oxgeno del aire. ste es un ejemplo de absorcin controlada por pelcula lquida. Puede determinarse
el coeficiente de transferencia de masa de pelcula lquida para diversos caudales.
Descripcin del Equipo
Los componentes del sistema estn montados en un bastidor de suelo de acero pintado. La columna de
pared mojada es una columna de vidrio con secciones de entrada y salida de agua, y est montada
sobre cardanes con el fin de asegurar su verticalidad.
La columna de desoxigenacin tiene un tamao global similar al de la columna de pared mojada, y
est situada en posicin vertical junto a aqulla. Al lado de las columnas hay una consola de control
con caudalmetros, controles de bomba y analizador de oxgeno. Entre las columnas hay dos
alojamientos especiales, que contienen las sondas de anlisis de oxgeno que monitorizan el contenido
de oxgeno en el agua que entra y sale de la columna de absorcin. El aparato utiliza como medio de
trabajo agua, contenida en un tanque de almacenamiento en la parte de atrs de la unidad. Las bombas
que suministran agua al desoxigenador y la columna de absorcin estn situadas en la base de la
unidad.
Durante la operacin, el agua es aspersada con nitrgeno en el desoxigenador antes de entrar por la
parte superior de la columna de pared mojada. Una bomba de aire integral tipo diafragma bombea aire
en la base de la columna. El aire asciende por la columna, entregando el oxgeno al agua. El oxgeno
disuelto en la entrada y la salida puede medirse en rpida sucesin. El agua se drena al tanque de
almacenamiento para su reciclaje al desoxigenador. Msicos de agua.
2. LA CROMATOGRAFA
Es la tcnica ms desarrollada en los ltimos aos, empleada en la qumica analtica con una
metodologa imprescindible en estudios bioqumicos, toxicolgicos, estructurales, etc. No solo
utilizando como tcnica de separacin e identificacin, sino como mtodo preparatorio, incluso a
escalas industriales. Mtodo fsico de separacin en el que los componentes a separar se distribuyen
en dos fases, una de las cuales constituye un hecho estacionario de gran desarrollo superficial y la otra
un fluido que pasa a travs o a lo largo del lecho estacionario (fase mvil).
En todo proceso cromatogrfico la fase mvil es la que provoca un movimiento de las distintas
especias para que abandonen el medio soporte, y la fase estacionaria la que suministra el efecto
retardador, selectivo para cada componente, que condiciona que cada uno de ellos se desplace con
distinta velocidad
CLASIFICACION DE LOS METODOS CROMATOGRAFICOS: Son clasificados segn el estado
fsico de la fase, el mecanismo de separacin y el tipo de soporte.
La fase mvil puede ser un gas o un lquido
La estacionaria u lquido o un slido.
Se pueden establecer cuatro tipos de cromatografa: gas-lquido, lquido-lquido, gas-slido, lquido-
slido.
Tipos de cromatografa
Cromatografa ascendente: el disolvente se encuentra en el fondo del recipiente que sostiene al papel y
va subiendo a travs de el por capilaridad.
Cromatografa descendente: el disolvente est en un recipiente est en un recipiente del que cuelga el
papel, fluye por l hacia abajo por una combinacin de capilaridad y gravedad.
3. ABSORCIN DE GASES EN LQUIDOS
La absorcin de gas en un lquido, la cual ocurre durante el proceso de limpieza por frotamiento, es
una operacin de unidad de ingeniera qumica estndar, desarrollada desde el punto de vista tcnico y
relativamente bien comprendida. Cuando se trabaja con concentraciones comparativamente elevadas
de un gas contaminante (del orden del 1% o ms), es prctica frecuente utilizar un sistema de flujo a
contracorriente en una unidad tal como una torre de absorcin empaquetada, como se muestra en la
figura. Esto tiene la ventaja de que la concentracin ms baja del contaminante en el gas, se encuentra
en contacto con el lquido ms dbil, el cual es el lquido absorbente en el que hay menor
concentracin del gas contaminante El lquido ms concentrado que se separa de la columna de
absorcin entra en contacto con la concentracin ms elevada del contaminante. Entonces el lquido
absorbente que se utiliza se puede retirar como desecho o se puede tratar de tal manera que sea
posible reciclarlo. En muchos casos el contaminante, cuando se remueve del lquido absorbente, se
puede utilizar como material bsico para procesamiento anterior. As, una operacin comn en las
refineras de petrleo es la absorcin del cido sulfhdrico en una solucin alcalina, su subsiguiente
enjugue mediante el uso de vapor y luego su conversin en azufre. Este azufre es el material no
elaborado que se usa en la produccin de fertilizante.
El tamao del depurador de gases y su efectividad relativa son una funcin de una cantidad de
parmetros: la superficie de exposicin del lquido absorbente, la temperatura, el tiempo disponible y
la fuerza de conduccin que lleva a las molculas del gas contaminante hacia la superficie del lquido
y afecta su absorcin. Esto depende de la naturaleza qumica y la interaccin del gas contaminante
con el lquido. Si el gas se absorbe con facilidad, por ejemplo amonaco en agua, se tiene una gran
fuerza de conduccin y el sistema requerido puede ser relativamente ms pequeo que si se trata de un
sistema de absorcin difcil, tal como dixido de azufre en agua. La opcin normal para la limpieza de
SO2 por frotamiento no sera agua sino una solucin alcalina, tal como amonaco, en el cual el SO2 es
muy soluble. La fuerza de conduccin tambin es una funcin de la concentracin del gas
contaminante en la corriente de gas y en la superficie lquida, y se reduce conforme el lquido se
aproxima a la saturacin con el gas.
V. MODELOS
1. ABSORCIN DE GASES
El gas es distribuido en contacto con un nivel de lquido. El nivel de lquido est dado por la altura del
vertedero.
Gas-Liquido: Platos: Los platos pueden ser: Perforados; de Vlvula y de Campana.
Gas-Liquido: Relleno: En el caso de columnas de relleno el contacto est dado por la
distribucin de gas/liquido sobre un rea de contacto (superficie de relleno).
Gas-Liquido: Calculo de etapas: El nmero de etapas se puede realizar obteniendo
resolviendo los balances de materia y equilibrio.
CONTACTO GAS-LIQUIDO: TIPO DE CONTACTO
Diferentes tipos de unidades pueden ser ocupados para contacto gas-liquido. (Notar interface gas-
liquido
CONTACTO GAS-LIQUIDO: PLATOS
El gas es distribuido en contacto con un nivel de lquido. El nivel de lquido est dado por la altura del
vertedero. Los platos pueden ser: Perforados; de Vlvula y de Campana.
CONTACTO GAS-LIQUIDO: RELLENO
En el caso de columnas de relleno el contacto est dado por la distribucin de gas/liquido sobre un
rea de contacto (superficie de relleno).
Tipos de relleno:
No estructurados
Estructurados: Para procesos que requieren de alta refinacin, el relleno estructurado de
amistco es una alternativa econmica a la gasa con alambre tejida y a muchos diseos de
empaques a granel. La construccin estructurada de la malla amistco crea una superficie de
contacto extensa y bien distribuida manteniendo baja la pelcula en los rangos ms bajos de
flujo de lquidos.
En comparacin a muchos diseos de empaques a granel y a platos, los rellenos estructurados
de malla tejida amistco permiten una cada de presin mucho ms baja. El aumento de los
flujos ahorra costos de bombeo y mejoran la calidad en numerosos procesos de contacto
lquido-vapor.
2. ABSORCIN EN TORRES EMPACADAS
La absorcin de gases es una operacin unitaria en la cual se disuelve en un lquido uno o ms
componentes solubles de una mezcla gaseosa.
La operacin opuesta se conoce con el nombre de desorcin y se emplea cuando se desea transferir un
componente voltil de una mezcla lquida a un gas. Esta operacin se lleva a cabo de manera continua
en equipos llamados torres o columnas. Son equipos cilndricos y suelen ser de gran altura. Las torres
pueden ser empacadas o de platos. Generalmente la corriente de gas y la corriente de lquido fluyen a
contracorriente dentro de la torre.
La corriente gaseosa se introduce por la base de la columna y sale por el domo. La corriente lquida se
alimenta por el domo y se descarga por la base. Entre ambas corrientes se crea una interface muy
grande por la subdivisin de la corriente lquida al mojar y salpicar los empaques. El efecto que se
tienen dentro de una torre es similar al de una cascada, en donde el agua choca contra las piedras, las
salpica y se desmenuza en pequeas gotas.
TORRES DE ABSORCIN EMPACADAS
En las torres de absorcin empacadas mediante el uso de empaques o rellenos se busca principalmente
el establecimiento de una gran interfase, a fin, de poner en contacto ntimo las fases gaseosa y lquida.
La cantidad de transferencia de materia, (de soluto en este caso), depende directamente de la
superficie interfacial y de la naturaleza de los componentes.
Las torres empacadas se usan en contacto continuo a contracorriente. Son columnas verticales y estn
rellenas con empaque. El lquido se distribuye en el empaque y desciende a travs del l exponiendo
una gran superficie de contacto con el gas. Reciben el nombre de empaques, las piezas que se colocan
dentro del equipo y que se utilizan para aumentar el rea interfacial. En general un buen empaque
debe cubrir las especificaciones siguientes:
Proporcionar una gran superficie interfacial entre el lquido y el gas. La superficie de
empaque por unidad de volumen de espacio empacado debe ser grande, pero no en un sentido
microscpico. Los pedazos de coque por ejemplo, tienen una gran superficie debida a su
estructura porosa.
Debe poseer buenas caractersticas de flujo. Esto es, que el empaque debe permitir el paso de
grandes volmenes de flujo a travs de pequeas secciones de la torre, sin provocar grandes
cadas de presiones en la fase gaseosa.
Debe ser qumicamente inerte a los fluidos del proceso.
Su estructura debe permitir el fcil manejo e instalacin.
El empaque se puede acomodar de dos formas: Al azar y en forma regular:
En el empaque al azar, este se coloca en el interior de la torre sin ningn arreglo en particular.
El empaque regular se coloca siguiendo un patrn determinado.
En un principio como empaque se usaban materiales tales como: trozos de vidrio, grava, pedazos de
coque. Posteriormente se emplearon los empaques geomtricos manufacturados, tales como los
anillos Raschig, Pall y Lessing o las sillas Berl, Intalox y los Telleretes. Hoy en da, se emplean
frecuentemente los empaques estructurados, de alta eficiencia ya sea tejidos o no tales como los de
mallas segmentada o en forma de espiral, que reciben nombres de acuerdo a los fabricantes. Estos
empaques son de gran tamao y ocupan totalmente el rea interna de la torre.
Los empaques geomtricos pequeos se fabrican de arcilla, cuarzo o porcelana. Los ms usados
industrialmente son los Raschig. Durante la instalacin, el empaque se arroja dentro de la torre, que
est llena de agua y se acomoda al azar.
El gas
entra
por
debajo
de la torre y tambin a travs de un distribuidor llega al empaque y fluye hacia arriba entre los
intersticios y a contracorriente con el lquido. El empaque provoca una gran rea de contacto y
fomenta el contacto ntimo entre las fases haciendo que el soluto que viene con el gas se disuelva en
el lquido. Por el fondo de la torre se Obtiene un lquido rico en soluto y por el domo un gas
empobrecido.
3. TORRES RELLENAS
Las torres rellenas usadas como absorbedores no son equipos estandarizados, se disean con
dimetros desde 20 hasta 600 cm y con 1 a 24 m de altura. En general, las torres muy altas son poco
eficientes.
Atendiendo al mtodo de creacin de la superficie de contacto desarrollada en las torres de absorcin
pueden clasificarse del modo siguiente:
superficiales
Peliculares
de relleno
de burbujeo (de platos)
Las superficiales son poco utilizadas debido a su baja eficiencia y grandes dimensiones.
Son especficos para gases muy solubles en el absorbente como es el caso del HCl en agua.
Las peliculares son equipos en los cuales la superficie de contacto entre las fases se establece en la
superficie de la pelcula de lquido, que se escurre sobre una pared plana o cilndrica. Los ms
utilizados en la industria qumica son las torres rellenas y las de burbujeo.
El equipo consiste esencialmente en una columna que posee un conjunto de cuerpos slidos, que
descansan sobre una rejilla con agujeros, los cuales permiten el paso de los fluidos.
La figura muestra una torre rellena tpica, el flujo es a contracorriente, el gas entra por la parte inferior
de la torre y se mueve ascendentemente y pasa a travs de las capas de empaquetaduras o rellenos (1).
El lquido entra por la parte superior de la torre y se distribuye uniformemente por toda la seccin
transversal de la torre con ayuda del distribuidor (3). La rejilla de soporte (2) se construye con un
material resistente.
Generalmente el equipo no se llena por una capa de empaquetadura continua, sino que se divide el
relleno en bloques de aproximadamente 1,5 a 3 m, con el propsito de evitar que el lquido se mueva
preferentemente cerca de la pared y deje de mojar la zona central de la capa de empaquetaduras. Para
redistribuir el lquido entre las capas de empaquetadura, se colocan los conos de redistribucin. Las
torres muy altas o de gran dimetro se dividen en varias secciones
REGMENES HIDRODINMICOS
Las torres rellenas pueden trabajar en diferentes regmenes hidrodinmicos. Generalmente, la
velocidad del gas influye en la cantidad de lquido retenido en el relleno y por tanto en la resistencia
hidrulica del relleno. Para pequeos valores de la velocidad del gas, el lquido forma una pelcula
descendente cuya masa es prcticamente independiente de la velocidad del gas. Este rgimen se
conoce como rgimen pelicular.
Si aumenta la velocidad del gas lo suficiente como para que resulten importantes las fuerzas de
rozamiento entre el gas y el lquido, la corriente lquida resulta frenada, aumenta el espesor de la
pelcula y la cantidad de lquido retenido en el relleno. ste se denomina rgimen de suspensin y se
caracteriza por un aumento de la superficie mojada del relleno: al aparecer remolinos, salpicaduras
con pequeos borboteos de gas en el lquido, disminuye la intensidad del proceso de transferencia de
masa.
Si la velocidad del gas es tan elevada que la fuerza de rozamiento entre el gas y el lquido es
suficiente como para equilibrar la fuerza de gravedad del lquido descendente, se establece una capa
continua del lquido en el interior del relleno, en la cual deber burbujear el gas. ste se denomina
rgimen de emulsin, se caracteriza por una elevada resistencia hidrulica y por una intensificacin
del contacto gas-lquido.
ELECCIN DE LAS EMPAQUETADURAS O RELLENOS
Existen diversos cuerpos que se emplean como relleno para las torres empacadas Las principales
caractersticas que debe reunir un relleno para lograr una elevada eficacia en la transferencia de masa
son:
Tener gran superficie especfica.
Tener elevada porosidad.
Proveer un buen contacto entre el gas y el lquido.
Ofrecer pequea resistencia hidrulica al gas.
Ser qumicamente inerte respecto a los fluidos procesados.
Poseer gran resistencia mecnica.
4. ABSORCIN DE PULVERIZACIN
En los absorbedores de pulverizacin, la superficie de contacto entre las fases se crea por la
pulverizacin del lquido en la masa del gas en forma de gotas pequeas. En la figura se muestra un
absorbedor de pulverizacin, puede observarse el cuerpo de la torre (1) y los inyectores de lquidos (2)
situados en la parte superior. Existen diferentes estructuras para estos absorbedores, las ms corrientes
son cmaras huecas en las cuales los fluidos se mueven a contracorriente.
Estos equipos tienen una construccin simple, pero sus gastos operacionales son elevados debido al
consumo grande de energa en la pulverizacin del lquido. Son relativamente poco eficaces, se les
emplea solamente con gases que se disuelven bien.
5. TORRES DE ABSORCIN DE PLATOS
En general las torres de platos consisten en cilindros dnde se ponen en contacto ntimo sobre
charolas o platos una fase gaseosa y una liquida para que se verifique una transferencia de masa de
una fase a la otra y viceversa.
El funcionamiento de estas consiste, en que se introduce una corriente (lquido generalmente) en la
parte superior y se introduce otra en la inferior. El lquido baa la parte superior de los platos y
desciende de ellos por vertederos al siguiente y as sucesivamente hasta llegar al pie de la torre. El gas
sube desde la parte inferior pasando a travs de aberturas que posee los platos para producir espuma
en el lquido, de modo que se verifique la transferencia de masa, hasta que llega a la cabeza de torre.
Si queremos que haya una buena transferencia el tiempo y el rea de contacto interfacial debe ser
grande.
Entonces, para aumentar el tiempo de contacto, la altura de lquido sobre el plato debe ser grande,
para aumentar el rea de contacto interfacial, el flujo de debe ser rpido (Esto se debe a que si sube
muy lento no se dispersa totalmente y sube como burbujas grandes). Otro inconveniente es que si el
flujo de gas es lento, se da el lloriqueo, que es cuando el lquido se escurre por los orificios el plato
debido a que el gas no tiene suficiente empuje para evitarlo.
PLATOS PARA COLUMNA DE CONTACTO LQUIDO- VAPOR
Platos de vlvula: Opera eficazmente a velocidades bajas de vapor. Son platos con orificios de
gran dimetro cubiertos por tapaderas mviles que se elevan cuando el flujo de vapor
aumenta
Platos perforados: Los dimetros de los orificios estn generalmente comprendidos entre 0.3 y
1.3cm
Platos de caperuza de borboteo: No permiten el goteo si estn adecuadamente unidos a la
torre, generan elevadas cadas de presin y las eficacias de etapa son de un 10 - 20 %
inferiores que en platos perforados o de vlvula, son ms caros que los platos perforados y
que los de vlvula
6. COLUMNAS DE BURBUJEO
La columna de burbujeo mltiple con platos perforados o distribuidor de gas, columnas de burbujeo
con aireacin por tubos de inyeccin y las torres para floculacin de microorganismos. A pesar de su
estructura simple, las columnas de burbujeo requieren una especificacin de diseo detallada para una
operacin ptima. Las propiedades del medio (viscosidad, fuerza inica, tensin superficial,
concentracin de biomasa, etc.) cambian grandemente durante la reaccin y originan problemas de
ingeniera de procesos debido a la formacin de espuma, fatiga interfacial, flotacin de biomasa y
coalescencia de burbujas (formacin de burbujas grandes e inactivas). Los aspersores de gases
dinmicos y estticos se emplean para la produccin de burbujas, lo que da lugar a una amplia
variedad de biorreactores.
COMPARACIN TORRES DE RELLENO FRENTE A PLATOS
VI. APLICACIONES AMBIENTALES
Eliminacin de butano y pentano de una mezcla gaseosa de refinera utilizando un aceite
pesado.
Eliminacin de contaminantes inorgnicos solubles en agua de corrientes de aire.
Como dispositivos de recuperacin de productos valiosos.
Eliminacin de impurezas en productos de reaccin.
Eliminacin de CO2 o de H2S por reaccin con NaOH en una corriente de gases.
Recuperar productos de corrientes gaseosas con fines de produccin
Mtodo de control de emisiones de contaminantes a la atmsfera, reteniendo las sustancias
contaminantes (compuestos de azufre, clorados y fluorados), es decir en efluentes gaseosos
La recuperacin de gases cidos como H2S, mercaptanos y CO2 con disoluciones de aminas
Produccin industrial de disoluciones cidas o bsicas en agua (cidos clorhdrico, sulfrico y
ntrico o hidrxido amnico)
Eliminacin de SO2 de gases de combustin con disoluciones acuosas de hidrxido de sodio
La eliminacin de xidos de nitrgeno con disoluciones de agentes oxidantes
INDUSTRIALES
La adaptabilidad de la absorcin de gases es como un mtodo de control de la contaminacin depende
por lo general de los siguientes factores:
La disponibilidad del solvente adaptable.
PLATOS
EMPAQUES
Menor cada de presin del sistema.
Menor obstruccin y ensuciamiento.
Menor coste de instalacin y operacin.
Menor potencia de bomba y
ventilador.
Soportan mayores fluctuaciones de T.
Mayor eficiencia de separacin.
Manejan mayores caudales de lquido
y gas.
Mayor costo de mantenimiento debido
al relleno.
Se usan con cidos y otros materiales
corrosivos.
Son ms cortas
La eficiencia de remocin requerida.
La concentracin del contaminante en el vapor de entrada
La capacidad requerida para el manejo de gas residual
El valor de recuperacin del contaminante o el costo de desechar el solvente irrecuperable.
Los depuradores con lechos empacados son utilizados tpicamente en la industria qumica, aluminio,
coque, aleaciones ferrosas, alimentos, agrcola y cromado por electro-plateado. Estos depuradores han
tenido un uso limitado como parte de los sistemas de desulfurar el gas de salida, pero la proporcin de
flujo de la solucin absorbente debe ser controlada debidamente pare evitar la inundacin del
depurador.
1. Control de Gases Inorgnicos: El agua es el ms comn los solventes usados para remover
los contaminantes inorgnicos. La remocin de contaminantes puede ser mejorada
manipulando qumicamente la solucin absorbente de manera que reaccione con el
contaminante. La solucin custica (NaOH) es el lquido depurador ms comnmente usado
para el control de gases cidos, aunque el carbonato de sodio (Na2CO3) y el hidrxido de
calcio (Ca[OH]2) tambin son utilizados. Cuando los gases cidos son absorbidos dentro de
la solucin depuradora, estos reaccionan con los compuestos alcalinos para producir sales
neutrales. La proporcin de absorcin de los gases cidos depende de la solubilidad de los
gases cidos en el lquido depurador.
2. Control de COV: La absorcin es una operacin comnmente aplicada en los procesos
qumicos. Es utilizada como una tcnica de recuperacin de materia prima o de producto en
la separacin y purificacin de corrientes gaseosas que contienen concentraciones altas de
compuestos orgnicos (por ejemplo, en las operaciones de purificacin de gas natural y
recuperacin de productos residuales del coque). En la absorcin, los compuestos orgnicos
en la corriente de gas son disueltos en un solvente lquido. El contacto entre el lquido
absorbente y el gas de venteo se logra en torres de aspersin contracorriente, depuradores, o
columnas compactas o con placas.
3. Control de MP: En los depuradores con lecho empacado, la corriente de gas es forzada a
seguir un camino en circuito a travs del material de empaque, sobre el cual se impacta gran
parte de la MP. El lquido sobre el material de empaque recolecta la MP y fluye
descendiendo por la cmara hacia el drenaje al fondo de la torre. Se coloca tpicamente por
encima del empaque y la reserva de lquido depurador. Cualquier lquido depurador y MP
humedecida encauzada en la corriente de gas de salida ser removida por el eliminador de
neblina y regresada para drenarse a travs del lecho empacado.
RECUPERACIN Y RECICLAJE DEL SOLVENTE
El efluente de la columna se puede reciclarse al sistema y utilizarse de nuevo.( Solventes
caros, como aceites de hidrocarburos, soluciones custica).
Inicialmente, la corriente reciclada puede ir a un sistema de tratamiento de residuos para
eliminar en lo posible los contaminantes o los productos de la reaccin.
La recirculacin del solvente requiere de una bomba, sistema de recuperacin de disolvente,
tanques de retencin y de mezclado de solvente, etc.
TRATAMIENTO DEL AGUA
La absorcin consiste en la remocin de iones y molculas presentes en la solucin, concentrndolos
en la superficie de un medio adsorbente, mediante la accin de las fuerzas de interfaz. Este proceso se
aplica en la remocin de olores y sabores, mediante la aplicacin de carbn activado en polvo.
Tema 2: extraccin
1. Introduccin
Primeramente los procesos de extraccin se trata de una operacin unitaria de transferencia de
materia basada en la disolucin de uno o varios de los componentes de una mezcla (lquida o
que formen parte de un slido) en un disolvente selectivo, asimismo es de suma importancia
saber distinguir entre extraccin slido-lquido y extraccin lquido-lquido cuya diferencia
radica en la materia a extraer pudiendo esta estar en un slido o en un lquido
respectivamente. En este ltimo caso es muy importante tener en cuenta que el disolvente a
utilizar ha de ser inmiscible con la fase lquida que contiene el soluto.
Como ya habamos mencionado anterior mente, la extraccin lquido-lquido consiste en
separar un componente de una mezcla lquida, con ayuda de un disolvente, que
preferentemente lo disuelve y estos son de suma importancia en las operaciones industriales
abarcando campos de aplicacin como por ejemplo en la separacin de vitaminas de soluciones
acuosas o la separacin de aromticos de fracciones de petrleo y otros; mientras que con la
extraccin slido-lquido se puede extraer componentes solubles de slidos con ayuda de un
disolvente y los campos de aplicacin de esta operacin bsica son, por ejemplo, la obtencin de
aceite de frutos oleaginosos o la lixiviacin de minerales.
A continuacin se profundizar ms en el tema a tratar enfatizando en la importancia de esta
operacin en los procesos industriales y sus distintas aplicaciones que se llevan a cabo en el
campo industrial.
2. Bases tericas
2.1 Extraccin: Segn charl meterh, la extraccin es la tcnica empleada para separar un
producto orgnico de una mezcla de reaccin o para aislarlo de sus fuentes naturales. Puede
definirse como la separacin de un componente de una mezcla por medio de un disolvente.
2.2 Disolvente: segn charl meterh, los disolventes son sustancia que son capaces de destruir
la agregacin de las molculas de un cuerpo soluble. Una acepcin ms amplia de la palabra es
aquel componente que se halla en mayor proporcin en una mezcla homognea.
2.3 Cuerpos solubles: segn Eduardo quintos catedrtico de la universidad de colorado-lluta
estados unidos; las mezclas solubles en agua son las que se pueden revolver y no se ven,
ejemplo el azcar, la sal etc. Normalmente son sustancias con las que el agua intercambia
electrones y por lo tanto forman nuevos compuestos.
Por otro lado las que no son solubles en agua son las que no se disuelven en agua, por ejemplo el
aceite, el petrleo, la arena etc. Algunas se les agregan un solvente que es el que permite que
haya una reaccin qumica entre ellas.
2.4 Solventes: segn charl meterh, un disolvente o solvente es una sustancia que permite la
dispersin de otra sustancia en esta a nivel molecular o inico. Es el medio dispersante de la
disolucin.
2.5 Mezclas homogneas: Las mezclas homogneas son aquellas en las que los componentes
de la mezcla no son identificables a simple vista.
2.6 Mezclas heterogneas: segn el doctor especialista en qumica analtica montero
Lombardi, nos dice que una mezcla heterognea es aquella que posee una composicin no
uniforme en la cual se pueden distinguir a simple vista sus componentes y est formada por dos
o ms sustancias, fsicamente distintas, distribuidas en forma desigual. Las partes de una mezcla
heterognea pueden separarse fcilmente. Pueden ser gruesas o suspensiones de acuerdo al
tamao
2.7 Soluto: Cuando se realiza una disolucin, se le llama soluto al compuesto de menor
proporcin al solvente. Esta sustancia se encuentra disuelta en una determinada disolucin de
cualquier elemento. En lenguaje comn, tambin se le conoce como la sustancia que se
disuelve,1 por lo que se puede encontrar en un estado de agregacin diferente al comienzo del
proceso de disolucin y experimentar una transicin de fase. Lo ms habitual es que se trate de
un slido en un disolvente lquido, lo que origina una solucin lquida. Una de las caractersticas
ms significativas de una disolucin suele ser su concentracin de soluto, es decir la medida de
la cantidad de soluto contenida en ella.
3. Tipos de extraccin
3.1 Extraccin lquido-lquido
La Extraccin Lquido-Lquido es, junto a la destilacin, la operacin bsica ms importante en
la separacin de mezclas homogneas lquidas. Consiste en separar una o varias sustancias
disueltas en un disolvente mediante su transferencia a otro disolvente insoluble, o parcialmente
insoluble, en el primero. La transferencia de materia se consigue mediante el contacto directo
entre las dos fases lquidas. Una de las fases es dispersada en la otra para aumentar la superficie
interfacial y aumentar el caudal de materia transferida, asimismo la extraccin lquido-lquido
es un mtodo muy til para separar componentes de una mezcla. El xito de este mtodo
depende de la diferencia de solubilidad del compuesto a extraer en dos disolventes diferentes.
Ejemplo para un mayor entendimiento del proceso de extraccin liquido-liquido:
En el caso ms sencillo participan tres componentes: El soluto A, el disolvente B, y el lquido
portador C. El soluto A forma parte de la mezcla de partida junto con el lquido portador C
(alimento). Si la mezcla de partida y el disolvente B se mezclan entre s, el soluto A pasa al
disolvente B. Ha de cumplirse la condicin de que la solubilidad del componente A en el
disolvente B sea mayor que la del lquido portador C. A su vez, el lquido portador C debera ser
prctica- mente insoluble en el disolvente B.
La ilustracin representada como ejemplo parte del planteamiento ideal en el que el soluto A es
absorbido en su totalidad por el disolvente. En realidad queda siempre un resto del soluto en el
lquido portador. Adems se admite la insolubilidad total del lquido portador en el disolvente.
Asimismo se forman dos fases despus de la decantacin:
La fase de extracto (principalmente A y B, restos de C), fase refino restos de A y B
3.2 Extraccin solido liquido
3.2.1 Extraccin slido-lquido discontinua
Se puede hacer una extraccin en colocar un disolvente orgnico a la mezcla en un vaso de
precipitado, matraz o en una cpsula de porcelana y puede ser fro o caliente, despus se agita y
por filtracin se obtiene la disolucin que contiene el producto extrado y la parte insoluble con
impurezas.
3.2.2 Extraccin slido-lquido contina
Es mejor continua cuando el disolvente de extraccin se encuentra caliente en un sistema
cerrado. Luego se basa en sumergirlo con el disolvente orgnico durante un tiempo,
anteriormente vaporizado y condesado en el refrigerante. El disolvente orgnico puede volverse
a vaporizar para que as ocurra un ciclo de extraccin.
Ejemplo para un mayor entendimiento del proceso de extraccin solido-liquido
Un ejemplo de la vida cotidiana es la preparacin de la infusin de caf. En este proceso, la
sustancia aromtica del caf (soluto) se extrae con agua (disolvente) del caf molido (material
de extraccin, formado por la fase portadora slida y el soluto). En el caso ideal se obtiene la
infusin de caf (disolvente con la sustancia aromtica disuelta) y en el filtro de la cafetera
queda el caf molido totalmente lixiviado (fase portadora slida).
En la prctica, al trmino de la extraccin, la fase portadora slida siempre contendr todava
una parte del soluto en el slido. Adems, una parte del disolvente permanecer tambin ligada
de forma adsorba to a la fase portadora slida.
4. Aplicaciones y usos
4.1 Aplicaciones en la extraccin lquido-lquido en campo industrial
Separacin de compuestos inorgnicos como cido fosfrico, cido brico e hidrxido de
sodio.
Recuperacin de compuestos aromticos.
Refinacin de aceites lubricantes y disolventes
En la extraccin de productos que contienen azufre.
Obtencin de ceras parannficas
Desulfuracin de productos petrolferos
Productos farmacuticos Ejemplo en la obtencin de la penicilina
Obtencin de metales costosos, Ejemplo como uranio-vanadio
Extraccin de compuestos aromticos
Separacin de metales pesados (Ni, Cu, Zn,) de efluentes acuosos con cidos o aminas.
Recuperacin de Uranio.
Extraccin de Penicilina y Protenas.
4.2 Aplicaciones en la extraccin solido-lquida en campo industrial
Los aceites vegetales se recuperan a partir de semillas, como los de soja y de algodn
mediante la lixiviacin con disolventes orgnicos como: ter de petrleo, hexano, etc.
Extraccin de colorantes a partir de materias slidas por lixiviacin con alcohol o soda.
En ecologa para indicar el desplazamiento hacia los ros y mares de los desechos y
excrementos, adems de otros contaminantes como pueden ser los fertilizantes;
producido por el mismo proceso indicado para el fenmeno qumico.
En geologa en el proceso de lavado de un estrato de terreno o capa geolgica por el
agua.
En el tratamiento de los minerales concentrados y otros materiales que contienen
metales, la lixiviacin se efecta por medio de un proceso hmedo con cido que
disuelve los minerales solubles y los recupera en una solucin cargada de lixiviacin.
Metalurgia Extractiva para trabajar los minerales principalmente oxidados. Desde un
tiempo a esta parte se realiza la lixiviacin de minerales sulfurados de cobre mediante
procesos de lixiviacin bacteriana
Obtencin de azcar.
Fabricacin de t y caf instantneo.
5. Modelos de extractores para extra extraccin lquido-lquido
5.1.1 Extractor podbielniak: Indiscutiblemente son los ms importantes de esta categora. La
rotacin es entorno de un eje horizontal. El cuerpo del extractor es un tambor cilndrico, cuya
construccin interior puede variar considerablemente. En los primeros modelos, el tambor
llevaba un pasaje de seccin transversal rectangular y arrollado en una espiral de treinta y
tantas vueltas por la cual, los lquidos, en las propias palabras del inventor se deslizaban como
dos serpientes que se acarician con amor a contracorriente. Los modelos ltimos constan de
cilindros concntricos, perforados con agujeros o hendiduras que sirven para el paso de ambos
lquidos.
5.1.2 Extractor luwesta: Este extractor que gira en torno de un eje vertical, es una variante del
invento original de Coutor. Tiene tres etapas reales, de ordinario gira a 3800 r.p.m y su
capacidad de flujo se acerca a 1300 galones/hora. Se usa ms extensamente en Europa que en
Estados Unidos, principalmente en la industria farmacutica.
5.1.3 Extractores de disco rotatorio: Este extractor, inventado en holanda posee varios
anillos estatores horizontales, tabiques en forma de anillo que dividen el extractor en varios
pequeos compartimientos cada uno de altura Hc. Una serie de discos, dispuestos en un eje
central en cada compartimiento, giran para proporcionar la agitacin mecnica.
5.1.4 Extractores anulares rotatorios: Estos extractores, constan de un cilindro exterior
estacionario, dentro del cual gira un cilindro concntrico. El contacto liquido-liquido ocurre en
el espacio anular entre los dos. Este es probablemente el tipo ms simple de los extractores
agitadores y ha despertado inters en el campo de los procesos con energa atmica por su
sencillez y porque promete cort tiempo de residencia por etapa. Esto es necesario en la
extraccin de soluciones muy radioactivas para reducir al mnimo daos ala disolvente.
5.2 Modelos de extractores para extraccin solido-lquida
5.2.1 Lixiviacin
Consiste en la remocin o extraccin de un componente soluble (soluto) contenido en un slido
mediante un solvente apropiado asimismo Es una operacin de transferencia de masa por lo
que es indispensable que exista un contacto ntimo entre el solvente y el soluto contenido en el
slido
LIXIVIADOR POR INMERSIN
6. Aplicaciones ambientales
El incremento de la actividad industrial mundial en la ltima dcada ha generado un aumento
de los efluentes de metales pesados tanto al medio acutico como terrestre. Esto ha supuesto un
enorme problema medioambiental ya que la mayora de estos metales son txicos y
persistentes. . La separacin/concentracin de metales no slo implica beneficios
medioambientales sino tambin econmicos debido al gran ahorro que supone la recuperacin
de los mismos. Una de las tecnologas ms utilizadas en la recuperacin y separacin de metales
de efluentes acuosos es la extraccin con disolventes pero por otro lado la principal limitacin
de esta tcnica es la prdida de disolvente por evaporacin, que adems tiene un impacto
perjudicial sobre el medio ambiente y la salud. Por ello se ha hecho necesaria la bsqueda de
nuevos mtodos de extraccin ms respetuosos con el medio ambiente. La sustitucin de los
disolventes orgnicos voltiles empleados convencionalmente por lquidos inicos, permite
salvar esta limitacin ya que estos ltimos presentan una presin de vapor prcticamente nula,
lo que permite minimizar las prdidas por volatilizacin en los procesos de extraccin ya sea
solido-lquido o liquido- liquido. Los lquidos inicos son sales orgnicas lquidas a temperatura
ambiente y poseen propiedades muy interesantes para su aplicacin industrial tales como una
elevada estabilidad qumica y trmica, que permiten su empleo a altas temperaturas. Adems,
propiedades como la bidrofobicidad, viscosidad, solubilidad, etc. pueden modularse variando su
composicin catinica y aninica, por lo que se les viene denominando como "disolventes
verdes de diseo", convirtindose en una alternativa muy atractiva a los disolventes orgnicos
convencionales en un amplio abanico de procesos qumicos y biotecnolgicos. De hecho, este es
un factor clave para llevar a cabo procesos de extraccin exitosos, mediante la seleccin
adecuada de la composicin catinica y aninica del lquido inico.
Tema 3: Adsorcin
1. INTRODUCCIN
Este trabajo est compuesto por tipos, aplicaciones y/o usos, modelos y aplicaciones
ambientales sobre el proceso de adsorcin.
El trmino adsorcin parece haber sido introducido por Kaiser en 1881 para connotar la
condensacin de gases sobre superficies libres, a diferencia de la absorcin gaseosa en donde
las molculas del gas penetran dentro del slido. La adsorcin (estrictamente, adsorcin fsica) ha sido
definida por la IUPAC como el enriquecimiento o el vaciamiento de uno o ms componentes en una
interface. En realidad, en 1909, McBain propuso el trmino sorcin para abarcar tres tipos de
fenmenos: la adsorcin sobre las superficies, la absorcin dentro del slido y la condensacin capilar
que ocurre en el interior de los poros. Pero, quizs por razones de eufona, el trmino nunca fue
utilizado ampliamente y la palabra adsorcin es frecuentemente utilizada para denotar indistintamente
la condensacin capilar o la adsorcin en superficies.
La adsorcin es el proceso por el que una especie qumica (ADSORBIBLE o ADSORBATO)
presente, inicialmente en una fase fluida, se concentra en la interfase que la separa de otra de igual o
superior grado de ordenacin (ADSORBENTE).
Hay que distinguir entre los procesos de adsorcin y absorcin. La absorcin es un proceso por el
cual un material (absorbente) es retenido por otro (absorbato); puede ser la disolucin de un gas o
lquido en un lquido o slido; o en la retencin mediante fuerzas fsicas de las molculas de un gas,
lquido o sustancia disuelta a la superficie o a la masa de un slido.
En una masa de material slido o lquido, todos los enlaces del interior entre los tomos que
lo constituyen estn satisfechos, pero en su superficie aparece una discontinuidad en esos enlaces.
Para esos enlaces insaturados, es energticamente favorable interacionar con la materia presente en
sus alrededores, lo que se produce de forma espontnea. Por este motivo se produce el fenmeno de la
adsorcin.
2. BASES TERICAS
La adsorcin es una operacin de separacin en la que ciertos componentes de una fase fluida se
transfieren hacia la superficie de un slido, donde quedan unidos mediante fuerza de naturaleza fsica
(dbiles) o bien mediante verdaderos enlaces qumicos.
Adsorcin Fsica:
Fuerzas de Van der Waals
Carcter exotrmico (1-10 kcal/mol)
Rpida
Reversible
Formacin de multicapas
Ocurre en todos los slidos y en toda su superficie.
Poca selectividad
Dependencia lineal con T
Adsorcin Qumica
Enlaces qumicos
Carcter exotrmico (10-100 kcal/mol)
Lenta
Irreversible
Solo monocapa absorbida
Ocurre en ciertos slidos y en determinados puntos.
Gran selectividad.
Dependencia exponencial con T (Arrhenius)
Equipos de Adsorcin:
Esquema proceso de Adsorcin
3. TIPOS
Tipos de Adsorcin
Podemos diferenciar tres tipos de adsorcin, dependiendo de qu tipos de fuerzas existan entre el
soluto y el adsorbente. Estas fuerzas pueden ser de tipo elctrico, de fuerzas de Van der Waals o de tipo
qumico.
1. Adsorcin por intercambio. En este proceso el soluto y el adsorbente se atraen por fuerzas electrostticas.
Dicho de otra manera, los iones del soluto se concentran en la superficie del sorbente, que se halla cargada
elctricamente con signo contrario a los iones del soluto. Si tenemos dos adsorbatos inicos iguales en
varios factores, pero uno con mayor carga que otro, el de mayor carga ser el que se adsorbido. Para
adsorbatos con igual carga, el tamao molecular es el que determina cul ser adsorbido.
2. Adsorcin por fuerzas de Van der Waals. Tambin llamada adsorcin fsica o fisisorcin. En este tipo de
adsorcin, el adsorbato no est fijo en la superficie del adsorbente, sino que tiene movilidad en la interfase.
Ejemplo de este tipo de adsorcin es el de la mayora de las sustancias orgnicas en agua con carbn
activado. En este tipo de adsorcin el adsorbato conserva su naturaleza qumica.
3. Adsorcin qumica. Sucede cuando hay interaccin qumica entre adsorbato y adsorbente. Tambin
llamada quimisorcin. La fuerza de la interaccin entre adsorbato y adsorbente es fuerte, casi como un
enlace qumico. En este tipo de adsorcin el adsorbato sufre una transformacin, ms o menos intensa, de
su naturaleza qumica.
La mayora de los fenmenos de adsorcin son combinaciones de estos tres tipos de adsorcin, y
muchas veces resulta difcil distinguir la fisisorcin de la quimisorcin.
4. APLICACIONES Y/O USOS
Una de las aplicaciones ms conocidas de la adsorcin en el mundo industrial, es la
extraccin de humedad del aire comprimido. Se consigue haciendo pasar el aire
comprimido a travs de un lecho de almina activa u otros materiales con efecto de
adsorcin a la molcula de agua. La saturacin del lecho se consigue sometiendo a
presin el gas o aire, as la molcula de agua es adsorbida por la molcula del lecho, hasta
su saturacin. La regeneracin del lecho, se consigue soltando al exterior este aire
comprimido y haciendo pasar una corriente de aire pre secado a travs del lecho.
Lo habitual es encontrar secadores de adsorcin en forma de dos columnas y mientras una
adsorbe, la otra es regenerada por el mismo aire seco de la columna anterior. Este sistema
se conoce como "pressure swing adsorbtion" o PSA. Conocido tambin como cambio de
presin por vaivn.
La otra aplicacin ms extendida es la obtencin de nitrgeno, haciendo pasar un caudal
de aire comprimido por el lecho adsorbente, compuesto por carbn molecular,
especialmente manufacturado para ese propsito.
Usa el mismo sistema ya mencionado de "pressure swing", de los secadores de adsorcin.
Una cmara llena de carbn es sometida a presin con aire comprimido, la molcula de
Oxigeno, es retenida por el nano poro del carbn, mientras que la molcula de Nitrgeno,
de ms tamao, no consigue entrar en el nano poro del adsorbente. Se consigue as,
disponer de gran cantidad de nitrgeno despus del lecho adsorbente y el oxgeno, queda
retenido. En la segunda parte del ciclo, con la despresurizacin, el oxgeno se libera del
nano poro y se evacua a la atmsfera.
Los generadores de nitrgeno, usan este sistema y sus aplicaciones se han generalizado en
la industria, en usos como la inertizacin de depsitos, de envases de productos
alimenticios o farmacuticos y en laboratorios, donde se usa el nitrgeno como gas
portador o inertizacin de cmaras.
Obtencin de Nitrgeno:
Algunas de las Principales Aplicaciones de la Adsorcin:
Purificacin de aguas residuales
Descontaminacin de gases
Eliminacin de olores, sabores o colores no deseados por ejemplo en aceites
Deshumidificacin de gasolinas
Secado de aire
Ciencia forense (revelado de huellas dactilares)
Para estos procesos, resultan interesantes materiales con una gran superficie especfica, como el
carbn activo.
5. MODELOS
Modelos Isotermos de Adsorcin
Diseo de un
proceso de
adsorcion
Transferencia de
Materia
Seleccin del
Adsorbente
Capacidad de adsorcin de soluto
que tiene el slido.
El fluido que contiene el soluto o adsorbato se hace pasar
por el slido adsorbente a T cte y se mide la concentracin
de adsorbato a la salida.
ISOTERMIA DE ADSORCIN
Relacin de equilibrio entre la concentracin de adsorbato en la fase fluida y la
concentracin en las partculas de adsorbente a una temperatura determinada.
Clasificacin de Brunauer para las isotermas de Adsorcin
Isoterma de Langmiur: adsorcin de una sola capa
a) Todos los sitios del solido tienen igual actividad para la adsorcin
b) No existe interaccin entre las molculas adsorbidas.
c) Cada unin adsorbato-adsorbente tiene la misma estructura y sucede por el mecanismo.
d) Cada sitio o poro del solido puede albergar una sola molcula de adsorbato.
Grficamente:
Isoterma de Freundlich
a = k p 1/n
Donde:
a: volumen de gas adsorbido por unidad de masa de adsorbente, m3/kg
p: presin del gas
k y n: parmetros caractersticos del adsorbente y adsorbato (n>1)
6. APLICACIONES AMBIENTALES
En la Industria Alimentaria:
Decoloracion en la industria azucarera.
Decoloracin de aceites en la refinacin.
En Ingeniera Ambiental:
Desulfuracin del gas natural (eliminacin del H2 S)
Eliminacin de agua de efluentes gaseosos (secado)
Eliminacin de olores e impurezas desagradables de gases industriales como el
dixido de carbono o del aire.
Recuperacin de compuestas orgnicas voltiles (acetona) de corrientes gaseosas.
Procesos de potabilizacin de aguas:
o Control de sabor y olor.
o Eliminacin de micro contaminante.
o Eliminacin de exceso de desinfectante (cloro, ozono).
Depuracin de aguas residuales: tratamiento terciario.
Tema 4: intercambio inico
I. INTRODUCCIN
Los suministros de agua natural contienen sales disueltas, las cuales se disocian en el
agua para formar partculas con carga, conocidas como iones. Estos iones estn presentes
por lo general en concentraciones relativamente bajas, y permiten que el agua conduzca
electricidad. Algunas veces se conocen como electrolitos. Estas impurezas inicas pueden
causar problemas en los sistemas de enfriamiento y calefaccin, generacin de vapor, y
manufactura. Los iones comunes que se encuentran en la mayora de las aguas incluyen
los cationes de carga positiva; calcio y magnesiocationes que generan dureza, los
cuales hacen que el agua sea duray sodio. Los aniones de carga negativa incluyen
alcalinidad, sulfato, cloruro, y silicio.
Las resinas de intercambio inico son particularmente adecuadas para la eliminacin de
estas impurezas por varias razones: las resinas poseen una alta capacidad para los iones
que se encuentran en bajas concentraciones, las resinas son estables y se regeneran
fcilmente, los efectos de la temperatura son en su mayora insignificantes, y el proceso
es excelente tanto para grandes como pequeas instalaciones, por ejemplo, desde
suavizadores de agua para el hogar hasta grandes instalaciones de servicios.
II. BASES TERICAS
Iones
Las sustancias solubles ionizadas disueltas en agua estn presentes como iones, que son
tomos o molculas llevando cargas elctricas. Los iones con carga positiva se llaman
cationes, los con carga negativa aniones. Puesto que el agua es globalmente neutral
elctricamente si no lo fuese, sufriramos un choque elctrico cuando sumergimos
nuestra mano en el agua el nmero de cargas positivas y negativas debe ser
exactamente igual.
Los iones pueden llevar una carga o ms, generalmente entre 1 y 3. Los iones pueden ser
un tomo solo (iones monoatmicos) o una combinacin de varios tomos juntos
(poliatmicos), como molculas.
Los iones no estn fijos: se mueven en el agua, y no estn atados a iones de carga opuesta.
Sin embargo, la suma de las cargas de los cationes y de los aniones es idntica. La figura
1 representa esquemticamente iones en agua.
Figura 1: Los iones no estn atados en agua. La suma de las cargas es constante.
Intercambio inico:
El intercambio inico es una operacin de separacin basada en la transferencia de
materia fluido-slido. Implica la transferencia de uno o ms iones de la fase fluida al
slido por intercambio o desplazamiento de iones de la misma carga, que se encuentran
unidos por fuerzas electrostticas a grupos funcionales superficiales. La eficacia del
proceso depende del equilibrio slido-fluido y de la velocidad de transferencia de materia.
Los slidos suelen ser de tipo polimrico, siendo los ms habituales los basados en
resinas sintticas.
III. TIPOS DE INTERCAMBIADORES IONICOS
Los intercambiadores de iones pueden ser:
Intercambiadores de cationes, que intercambian iones cargados positivamente
(cationes).
Intercambiadores de aniones que intercambian iones con carga negativa
(aniones).
Anfteros que son capaces de intercambiar cationes y aniones al mismo tiempo.
El intercambio inico puede explicarse como una reaccin reversible implicando
cantidades qumicamente equivalentes.
RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO
Las resinas de intercambio inico son materiales sintticos, slidos e insolubles en agua,
que se presentan en forma de esferas o perlas de 0.3 a 1.2 mm de tamao efectivo, aunque
tambin las hay en forma de polvo.
.Estn compuestas de una alta concentracin de grupos polares, cidos o bsicos,
incorporados a una matriz de un polmero sinttico (resinas estirnicas, resinas acrlicas,
etc.) y actan tomando iones de las soluciones (generalmente agua) y cediendo cantidades
equivalentes de otros iones. La principal ventaja de las resinas de intercambio inico es
que pueden recuperar su capacidad de intercambio original, mediante el tratamiento con
una solucin regenerante.
Tipos de resinas de intercambio inico.
Las resinas de intercambio inico estn destinadas a varios usos, descalcificacin,
desnitratacin, desionizacin, Dependiendo de la aplicacin a la que se destinen existen
diferentes tipos.
Resinas catinicas de cido fuerte:
Intercambian iones positivos (cationes).
Funcionan a cualquier pH.
Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como primera columna de
desionizacin en los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los
cationes del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente
cido clorhdrico (HCl).
Resinas catinicas de cido dbil:
Tienen menor capacidad de intercambio.
No son funcionales a pH bajos.
Elevado hinchamiento y contraccin lo que hace aumentar las prdidas de carga o
provocar roturas en las botellas cuando no cuentan con suficiente espacio en su
interior.
Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos cido para su regeneracin,
aunque trabajan a flujos menores que las de cido fuerte. Es habitual regenerarlas
con el cido de desecho procedente de las de cido fuerte.
En la parte superior de la imagen se muestra resina catinica, en la parte inferior
aninica.
Resinas aninicas de base fuerte:
Intercambian iones negativos (aniones).
Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como segunda columna de
desionizacin en los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los
aniones del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente sosa
(hidrxidosdico - NaOH).
Resina monoesfera.
Se aprecia como el tamao
Resina no monoesfrica.
El tamao de las esferas es irregular.
de las esferas es similar.
Resinas aninicas de base dbil:
Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos sosa para su regeneracin.
No se puede utilizar a pH altos.
pueden sufrir problemas de oxidacin o ensuciamiento.
En la imagen se muestran tres tipos de resina:
A la izquierda resina catinica, a la derecha resina para lecho mixto y en la parte inferior resina
aninica. Se puede observar como en la resina de lecho mixto existen diferentes tamaos y colores. Las
resinas aninica y catinica son monoesfera y de color uniforme.
IV. MODELOS DE EQUIPOS
DESMINERALIZADORES
La desmineralizador es un equipo utilizado para eliminar slidos disueltos en el agua. El
proceso mediante intercambio inico emplea resinas catinicas y aninicas, que pueden
ser base fuerte o base dbil dependiendo la calidad del agua a obtener y los
contaminantes que se requiera remover Una vez que las resinas han agotado su capacidad
de intercambio inico, es necesario regenerarlas para que vuelvan a recuperar sus
propiedades. Se tiende a alargar el mximo posible los ciclos para espaciar las
regeneraciones, minimizando as los residuos generados. Tambin existen los
desmineralizadores de lechos mixtos constituidos generalmente por una mezcla de resinas
aninicas y catinicas fuertes, proporcionando una mayor eliminacin de iones. Se
utilizan cuando se precisa un agua de caractersticas especiales con una eliminacin de
iones superior a lo habitual. La tendencia actual es emplear estas instalaciones de
desmineralizacin como proceso de afine tras una smosis inversa, en funcin de la
calidad del agua a tratar.
DESCALCIFICADORES
Es un aparato que, por medios mecnicos, qumicos y/o electrnicos trata el agua para
reducir el contenido de sales minerales y sus incrustaciones en tuberas y depsitos de
agua.
El agua con alto contenido de sales de calcio o magnesio (agua dura) tiende a formar
incrustaciones minerales en las paredes de las tuberas. En algunos casos bloquean casi la
totalidad de la seccin del tubo.
Las sales se adhieren con ms frecuencia a las tuberas de agua caliente as como a las
superficies de las mquinas que trabajen o produzcan agua caliente. Un ejemplo de esto
son las cafeteras y los calentadores de agua. El calcio y magnesio al adherirse a las
resistencias calentadores forma una capa que evita el contacto del agua con las
resistencias, causando un sobrecalentamiento y la ruptura de la resistencia.
V. APLICACIONES Y/O USOS
El intercambio inico es utilizado para diversos fines entre los que se destacan:
Ablandamiento, separacin de calcio y magnesio.
Desmineralizacin
Tratamiento de agua. Proceso muy utilizado en las fbricas textiles.
El intercambio inico se utiliza ampliamente en las industrias de alimentos y bebidas,
hidrometalrgica, acabado de metales, qumica y petroqumica, farmacutica, azcar y
edulcorantes, agua subterrnea y potable, nuclear, ablandamiento industrial del agua,
semiconductores, energa, y otras muchas industrias.
Un ejemplo tpico de aplicacin es la preparacin de agua de alta pureza para las
industrias energtica, electrnica y nuclear. Los intercambiadores de iones polmericos o
minerales son ampliamente utilizados para ablandamiento del agua, purificacin de agua,
descontaminacin, etc
El intercambio inico es un mtodo ampliamente utilizado tambin en el hogar como en
los detergentes de lavado, o en los filtros de agua) para producir agua blanda. Esto se
logra mediante el intercambio de cationes calcio Ca2+ y magnesio Mg 2+ por Na 1+ o H
+.
La cromatografa de intercambio inico industrial y de anlisis es otra rea que debe ser
mencionada. La cromatografa de intercambio inico es un mtodo cromatogrfico que se
utiliza ampliamente para el anlisis qumico y la separacin de los iones. Por ejemplo, en
bioqumica es ampliamente utilizado para separar molculas cargadas, tales como
protenas. Un rea importante de aplicacin es la extraccin y purificacin de sustancias
de origen biolgico, tales como protenas (aminocidos) y ADN/ARN.
Los procesos de intercambio de iones se utilizan para separar y purificar metales,
incluyendo la separacin de uranio, plutonio y otros actnidos, incluyendo torio y lantano,
neodimio, iterbio, samario, lutecio, extrayendo cada uno de ellos por separado y del resto
de los dems lantnidos. Estos dos grupos de metales, lantnidos y actnidos, poseen
caractersticas fsicas y qumicas muy similares.
VI. APLICACIN AMBIENTAL
Tratamiento de Agua por Intercambio Inico:
Con el avance de la ciencia y de la tcnica es cada vez mayor el uso de agua desprovista
de ciertos iones y muchas veces desprovista de todos los iones. Una de las tcnicas de
eliminacin de iones consiste en hacer pasar el agua a travs de resinas de intercambio
inico.
Es frecuente encontrar instalaciones que usan resinas de intercambio inico que no
producen la calidad del agua requerida o la cantidad requerida, o ambas cosas a la vez, y
esto puede deberse al desconocimiento de las propiedades de las resinas de intercambio
inico o a la falta de experiencia necesaria para manejar los imprevistos que pueden
presentarse durante la operacin de intercambiadores de iones. En muchas ocasiones se
descartan prematuramente las resinas de intercambio inico, en otras se sigue usando las
resinas que ya cumplieron su vida til y muchas veces se usan resinas que no son las
adecuadas.
El intercambio inico no est restringido al tratamiento de agua, sino que tiene un amplio
campo de aplicacin, tal como:
Recuperacin de uranio
Decoloracin y reduccin de cenizas en soluciones de azcar
Recuperacin y purificacin de estreptomicina.
Remocin del cido frmico del formaldehdo
Recuperacin de metales de soluciones
Desalinizacin de aguas salobres
Eliminacin de acidez de efluentes minero-metalrgicos
Por su relevancia en el tratamiento de aguas y diversos procesos industriales, en este
dossier se pretende dar una visin general de los intercambiadores inicos, su
funcionamiento y sus principales aplicaciones.
En el contexto de purificacin, intercambio de ion es un proceso rpido y reversible en el
cual los iones impuros presentes en el agua son reemplazados por iones que despiden una
resina de intercambio de iones. Los iones impuros son tomados por la resina que debe ser
regenerada peridicamente para restaurarla a su forma inica original. (Un ion es un
tomo o grupo de tomos con una carga elctrica. Los iones con carga positiva se llama
cationes y son generalmente metales, los iones con carga negativa se llaman aniones y
son generalmente no metales).
Los siguientes iones son generalmente encontrados en aguas crudas:
Cationes Aniones
Calcium (Ca2+) Cloruro (Cl-)
Magnesio (Mg2+) Bicarbonato (HCO3-)
Sodio (Na+) Nitrato (NO3-)
Potasio (K+) Carbonato (CO32-)
Hierro (Fe2+) Sulfato (SO42-)
Por sus propiedades como disolvente y su utilizacin en diversos procesos industriales, el
agua acostumbra a tener muchas impurezas y contaminantes. Las sales metlicas se
disuelven en el agua separandose en iones, cuya presencia puede ser indeseable para los
usos habituales del agua. Adems, el creciente inters por el medio ambiente, impone
establecer tratamientos eficaces que eviten el deterioro de la calidad de las aguas,
especialmente por el vertido de efluentes industriales altamente contaminados. Entre
todos los tratamientos posibles, el intercambio inico es una opcin a considerar.
Suavizando Intercambio de Base
Suavizando fue la primera aplicacin industrial que involucro el intercambio de iones.
Este proceso fue propuesto por primera vez por Gans en el 1905.
El proceso consiste agua que pasa conteniendo iones de dureza, mayormente calcio
(Ca2+) y magnesio (Mg2+) a travs de una columna conteniendo una resina de
intercambio cido de cation en forma de sodio (Na+) (por ejemplo, los cationes
intercambiables son sodio). Los iones de calcio y magnesio son intercambiados por un
nmero equivalente de iones de sodio. La resina, una vez agotada, (por ejemplo, todos los
iones de sodio disponible han sido intercambiados) deben ser recargados. Esto significa
que hay que pasar una solucin que contiene una alta concentracin de sales de sodio
tales como brine cloruro de sodio a travs de la resina de intercambio- un proceso
conocido como regeneracin.
Usos Principales del agua Suavizada
Para prevenir formacin de sarro en calderas, calentadores de agua, planchas de
vapor y mquinas de lavar platos, etc.
Para eliminar la produccin de capa de suciedad formada como resultado de la
reaccin entre los iones de calcio y magnesio con cidos de grasa encontrado en
jabones en la industria textil, mquinas de lavar, etc
Para prevenir manchas antiestticas en cristalera, espejos, etc.
Para pre-tratar osmosis inversa para prevenir que se contaminen las membranas
de osmosis inversa.
Escarbando Orgnicos
Escarbadores orgnicos son plantas totalmente automticas diseadas primordialmente
para eliminar contaminantes que ocurren naturalmente- mayormente cidos hmicos de
las fuentes de agua. Estos son compuestos ionizados dbilmente que pueden contaminar
irreversiblemente las resinas normales de los aniones e invertir las membranas de osmosis
pero que pueden ser eliminados fcilmente del agua por una combinacin de absorbcin e
intercambio de ion.
Escarbadores orgnicos contienes resinas especiales macroporosas que operan en la forma
de cloruro. Tienen una estructura abierta con grandes poros que le permiten a los
voluminosos aniones orgnicos ser eliminados del feedwater entonces eludidos fuera de
nuevo durante la regeneracin.
La Regeneracin es iniciada automticamente por un reloj automtico de ciclo. El
regenerante es cloruro de sodio en forma de solucin salmuera 10% que se lleva hacia el
escarbador desde el tanque de salmuera.
Deionizacin
Para muchas aplicaciones de laboratorio e industriales se requiere la alta pureza del agua,
la cual est esencialmente libre de contaminantes inicos. Agua de esta calidad se puede
producir con la Desionizacin.
Los dos tipos ms comunes de deionizacin son:
Deionizacin de Dos Camas
Deionizacin de Camas Mixtas
Deionizacin de Dos Camas: El Desionizador de Dos Camas consiste en dos
recipientes- uno conteniendo una resina de intercambio de cationes en forma de
hidrgeno (H+) y la otra conteniendo una resina de aniones en forma de hidroxil (OH-).
El agua fluye a travs de la columna de cationes, donde todos los cationes son
intercambiados por iones de hidrgeno.
Deionizacin de Cama Mixta: En los desionizadores de cama mixta, las resinas del
intercambio de cationes y de aniones estn ntimamente mezcladas y contenidas en un
solo recipiente a presin. La mezcla minuciosa de cationes intercambiadores y aniones
intercambiadores en una columna sencilla hace al desionizador de cama mixta
equivalente a la serie larga de plantas de dos camas. Como resultado, la calidad del agua
obtenida de un desionizador de cama mixta es apreciablemente ms alta que la que se
produce en una planta de dos camas.
El recipiente puede ser en la forma de una columna grande de acero inoxidable o de fibra
de vidrio reforzada conteniendo cientos de litros de resina, o un cartucho pequeo
desechable/regenerable que cuando se acaba, puede desecharse o enviado al proveedor
original para regeneracin. Los desionizadores grandes- ya sean de dos camas o camas
mixtas- se regeneran automticamente ellos mismos, en su lugar, cuando la calidad del
agua cae por debajo de los niveles fijados anteriormente
Tema 5: intercambio de calor
INTRODUCCIN
Calor y temperatura son conceptos que en el lenguaje cotidiano se confunden, pero son absolutamente
muy diferentes, es comn que las personas utilicen frases como uffff, que calor hace para referirse a
la TEMPERATURA, a pesar de hacer uso de la palabra CALOR.
La temperatura es una magnitud fsica para referirse a la sensacin de frio o caliente al entrar en
contacto con un cuerpo o fluido. En cambio el calor es una trasferencia de energa de un cuerpo a otro
o de una parte del cuerpo a otra producida por una diferencia de temperatura; el calor es una energa
en trnsito, siempre fluye de una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura, con lo que
eleva la temperatura de la zona ms fra y reduce la de la zona ms clida, siempre que el volumen de
los cuerpos se mantenga constante. La energa no fluye de un objeto de temperatura baja a otro de
temperatura alta si no se realiza trabajo.
La materia est formada por tomos o molculas que estn en constante movimiento, por lo tanto
tienen energa potencial y energa cintica. Los continuos choques entre si transforman parte de la
energa cintica en calor, cambiando la temperatura del cuerpo.
Del estudio de la termodinmica conocemos que la energa se puede transferir mediante las
interacciones de un sistema con su alrededor. Estos estudios nos sirven para calcular la cantidad de
energa requerida para modificar un sistema de un estado a otro, pero no proporciona informacin
alguna con respecto a la naturaleza de la interaccin o la rapidez con la que esta se produce.
Por otro lado, en los sistemas mecnicos, qumicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe ser
transferido de un lugar a otro, o bien, de un fluido a otro; es en ello cuando empezamos a hablar de
los intercambiadores de calor, estos son los dispositivos que permiten realizar dicha tarea. Un
entendimiento bsico de los componentes mecnicos de los intercambiadores de calor es necesario
para comprender cmo estos funcionan y operan para un adecuado desempeo.
El objetivo de este trabajo es presentar conocimientos bsicos sobre intercambio de calor, las bases
tcnicas, los intercambiadores de calor como dispositivos que permiten remover calor de un punto a
otro de manera especfica en una determinada aplicacin. Se presentan los tipos de intercambiadores
de calor en funcin del flujo: flujo paralelo; contraflujo; flujo cruzado. Adems se analizan los tipos
de intercambiadores de calor con base en su construccin: tubo y carcaza; placas, y se comparan
estos. Se presentan tambin los intercambiadores de paso simple, de mltiples pasos, intercambiador
de calor regenerador e intercambiador de calor no regenerativo. Al final se incluyen algunas de las
posibles aplicaciones de los intercambiadores de calor y aplicaciones ambientales.
Como hemos mencionado, un intercambiador de calor es un componente que permite la transferencia
de calor de un fluido (lquido o gas) a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan
se encuentran las siguientes:
Calentar un fluido fro mediante un fluido con mayor temperatura. Reducir la temperatura de un
fluido mediante un fluido con menor temperatura. Llevar al punto de ebullicin a un fluido mediante
un fluido con mayor temperatura. Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido fro.
I. BASES TORICAS
1.1. DEFINICIONES
1.1.1. CALOR: Se define como la energa cintica total de todos los tomos o
molculas de una sustancia. 1
1.1.2. TRANSFERENCIA DE CALOR: (o calor) es la energa en trnsito debido a
una diferencia de temperaturas.2
Siempre que exista una diferencia de temperaturas en un cuerpo o entre cuerpos,
debe ocurrir una transferencia de calor.
1 Juan Inzunza. FSICA, CAP.14.TRANSFERENCIA DE CALOR.
2 Frank P. Incropera, David P. De Witt. FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. 4 edicin.
PRENTICE HALL, Mxico, 1999.
1.1.3. TEMPERATURA: Es una medida de la energa cintica promedio de los
tomos y molculas individuales de una sustancia. Cuando se agrega calor a una
sustancia, sus tomos o molculas se mueven ms rpido y su temperatura se
eleva, o viceversa. 3
1.2. MECANISMOS O PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Cuando dos cuerpos que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto entre s, se
produce una Transferencia de calor desde el cuerpo de mayor a menor temperatura.
La transferencia de calor se puede realizar por tres mecanismos fsicos: conduccin,
conveccin y radiacin.
Cuando existe un gradiente de temperatura en un medio estacionario que puede ser un
slido o un fluido- utilizamos el trmino Conduccin para referirnos a la transferencia de
calor que se producir a travs del medio. En cambio, el trmino Conveccin se refiere a
transferencia de calor que ocurrir entre una superficie y un fluido en movimiento cuando
estn a diferentes temperaturas. El tercer modo de transferencia de calor se denomina
Radiacin trmica, todas superficies con temperatura finita emiten energa en forma de
ondas electromagnticas; por tanto, en ausencia de un medio, existe una transferencia neta
de calor por radiacin entre dos superficies a diferentes temperaturas. 4
IMAGEN N 01
MECANISMOS DE INTERCAMBIO DE CALOR
3 Juan Inzunza. FSICA, CAP.14.TRANSFERENCIA DE CALOR.
4 Frank P. Incropera, David P. De Witt. FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. 4 edicin. PRENTICE
HALL, Mxico, 1999.
CONDUCCIN
1.2.1. CONDUCCIN
La conduccin es el mecanismo de transferencia de calor en escala atmica a
travs de la materia por actividad molecular, por el choque de unas molculas
con otras, donde las partculas ms energticas le entregan energa a las menos
energticas, producindose un flujo de calor desde las temperaturas ms altas a
las ms bajas. Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un
CONVECCIN
RADIACIN TRMICA
mal conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o plsticos
se llaman aislantes.
La conduccin de calor slo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos
partes del medio conductor. Para un volumen de espesor x, con rea de seccin
transversal A y cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes T1 y T2, con T2
> T1, se encuentra que el calor Q transferido en un tiempo t fluye del extremo
caliente al fro. Se llama H (en Watts) al calor transferido por unidad de tiempo,
la rapidez de transferencia de calor H = Q/t, est dada por la ley de la
conduccin de calor de Fourier.5
Donde:
k (en W/mK) se llama conductividad trmica del material, magnitud que
representa la capacidad con la cual la sustancia conduce calor y produce la
consiguiente variacin de temperatura.
dT/dx es el gradiente de temperatura. El signo menos indica que la conduccin
de calor es en la direccin decreciente de la temperatura. Los altos valores de
conductividad de los metales indican que son los mejores conductores del calor.
IMAGEN N 02
5 Juan Inzunza. FSICA, CAP.14.TRANSFERENCIA DE CALOR.
ALGUNOS VALORES DE CONDUCTIVIDADES TRMICAS
Si un material en forma de barra uniforme de largo L, protegida en todo su largo
por un material aislante, como se muestra en la siguiente figura, cuyos extremos
de rea A estn en contacto trmico con fuentes de calor a temperaturas T1 y T2
> T1, cuando se alcanza el estado de equilibrio trmico, la temperatura a lo largo
de la barra es constante. En ese caso el gradiente de temperatura es el mismo en
cualquier lugar a lo largo de la barra, y la ley de conduccin de calor de Fourier
se puede escribir en la forma:6
EJEMPLO:
Una barra de oro est en contacto trmico con una barra de plata, una a
continuacin de la otra, ambas de la misma longitud y rea transversal. Un
extremo de la barra compuesta se mantiene a T1 = 80 C y el extremo opuesto a
T2 = 30 C. Calcular la temperatura de la unin cuando el flujo de calor alcanza
el estado estacionario.
6 Juan Inzunza. FSICA, CAP.14.TRANSFERENCIA DE CALOR.
SOLUCIN
L1 = L2 = L:
Cuando se alcanza el estado estacionario, estos dos valores son iguales:
( ) ( )
Despejando la temperatura T, con del oro y de la plata, valores obtenidos
de la imagen N 02:
1.2.2. CONVECCIN
La conveccin es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de
masa o circulacin dentro de la sustancia. Puede ser natural producida solo por
las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es
obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el
agua con una bomba. Slo se produce en lquidos y gases donde los tomos y
molculas son libres de moverse en el medio.7
El modo de transferencia de calor por conveccin se compone de dos
mecanismos. Adems de la transferencia de energa debida al movimiento
molecular aleatorio (difusin), la energa tambin se transfiere mediante el
movimiento global o macroscpico del fluido. El movimiento del fluido se asocia
con el hecho de que, en cualquier instante, grandes nmeros de molculas se
mueven de forma colectiva, tal movimiento en presencia de una gradiente de
temperatura, contribuye a la transferencia de calor. La transferencia de calor por
conveccin ocurre entre un fluido en movimiento y una superficie limitante
cuando estos tienen diferentes temperaturas.8
7 Juan Inzunza. FSICA, CAP.14.TRANSFERENCIA DE CALOR.
8 Frank P. Incropera, David P. De Witt. FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. 4 edicin.
PRENTICE HALL, Mxico, 1999.
En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmsfera por
conduccin y radiacin cerca de la superficie, es transportado a otras capas o
niveles de la atmsfera por conveccin.
Un modelo de transferencia de calor H por conveccin, llamado ley de
enfriamiento de Newton, es el siguiente:
Donde:
h se llama coeficiente de conveccin, en W/(m2K), A es la superficie que entrega
calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra a una
temperatura T.
El flujo de calor por conveccin es positivo (H
> 0) si el calor se transfiere desde la superficie
de rea A al fluido (TA > T) y negativo si el
calor se transfiere desde el fluido hacia la
superficie (TA < T).
IMAGEN N03
VALORES TPPICOS DE COEFICIENTE DE CONVEECCIN
EJEMPLO:
El vidrio de una ventana se encuentra a 10 C y su rea es 1.2 m2. Si la
temperatura del aire exterior es 0 C, calcular la energa que se pierde por
conveccin cada segundo. Considerar h = 4 W/(m2K).
SOLUCIN
Los datos son:
TA = 10 C = 283K
T = 0 C = 273K
A = 1.2 m2
Usando la ley de enfriamiento de Newton:
( )
( )
1.2.3. RADIACIN TRMICA
La radiacin trmica es energa emitida por la materia que se encuentra a una
temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas
las direcciones.9
A diferencia de la conduccin y la conveccin, o de otros tipos de onda, como el
sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiacin
electromagntica es independiente de la materia para su propagacin, de hecho,
la transferencia de energa por radiacin es ms efectiva en el vaco. Sin
embargo, la velocidad, intensidad y direccin de su flujo de energa se ven
influidos por la presencia de materia.
. 10
I
![[BV] Tema 1.pdf](https://img.pdfslide.net/doc/110x75/55cf94c7550346f57ba4504d/bv-tema-1pdf.jpg)
