5.9. REMOCION DE GASES DE PARTICULAS DE GASES Y LIQUIDOS LIQUIDOS Las partículas finas son más eficientemente removidas de suspensiones suspensiones diluidas en gases y líquidos usando fuerza centrifuga en ciclones ciclones e hidroclones, respectivamente. respectivamente.
Heurística 53: Usar un separador de ciclón ciclón para remover, de un gas, gas, gotitas o partículas solidas de un diámetro por debajo de los 10 micrones (0.01 mm). Usar un separador de hidroclon para remover remover de un líquido, gotitas de líquido insoluble o partículas de sólidos de un diámetro por debajo de los 5 micrones (0.005 (0.005 mm). Sin embargo, las pequeñas cantidades de gotitas liquidas entrantes están comúnmente removidas de los gases por tambores aniquiladores verticales equipados con cojines de mallas para ayudar a unir las gotitas más más pequeñas. RESUMEN: Habiendo estudiado este capítulo, el lector debería: 1. Poder implem implementar entar los los pasos pasos en la secci sección ón 3.4 para para síntesis síntesis de proceso procesoss más efectivas. efectivas. Usando las muchas heurísticas presentadas aquí, y resumidas en la tabla 5.2 Los ejemplos y ejercicios deberían posibilitarle posibilitarle para ganar experiencia en sus aplicaciones. 2. Reconocer Reconocer las las limitaci limitaciones ones de las las heurístic heurísticas as en la tabla tabla 5.2 y el rol del del simulador simulador de procesos en permitir la variación variación sistemática sistemática de los parámetros y la exanimación de diseños alternativos. El lector debe también darse cuenta que las heurísticas listadas son una lista seleccionada de muchas reglas de pulgar que han sido aplicadas por equipos de diseño para llevar a cabo síntesis de procesos. capitulo 5 Tabla 5.2 Heurísticas en capitulo
HEURISTICAS Operaciones de reacción 1 Distribución de sustancias químicas 2
Seleccionar la materia prima prima y las Reacciones químicas para evitar, o reducir El manipuleo y almacenamiento almacenamiento de sustancias sustancias químicas toxicas y peligrosas. peligrosas.
Usar un exceso de un reactante reactante químico en una operación operación de de reacción reacción para Consumir completamente un reactante reactante químico peligroso, toxico toxico o valioso. valioso.
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Cuando casi los productos puros son requeridos, se eliminan las e species inertes antes que las operaciones operaciones de reacción cuando las separaciones separaciones son fácilmente realizadas y cuando el catalizador es adversamente afectado afectado por el inerte, pero no cuando un gran calor calor exotérmico exotérmico de reacción debe ser removido
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Introducir corrientes de vapor para proveer salidas para especies que entran al proceso como impurezas en la alimentación alimentación o son formadas en reacciones de lado irreversible, irreversible, cuando estas especies están en cantidades descritas descritas y/o son Difíciles de separar desde otras sustancias sustancias químicas. químicas. Las especies especies más ligeras se salen en corrientes de purga purga de vapor, y las especies más pesadas salen en Corrientes de purga purga liquidas.
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No purgar las especies valiosas o especies que son toxicas o peligrosas, aun en Pequeñas concentraciones concentraciones (ver MSDS). Agregar los separadores para recuperar
Las especies valiosas. Agregar reactantes para eliminar, si es posible, especies Toxicas y peligrosas.
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Los subproductos que son producidos en reacciones reversibles, en menores Cantidades, usualmente no son recuperadas en separadores o purgadas. En Cambio, son usualmente recicladas para extinción.
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Para reacciones competentes, tanto en serie y paralelo, se ajustan a la temperatura , presión y catalizadores para obtener altas producciones de los Productos deseados. En la distribución inicial de las sustancias químicas, asumir Que estas condiciones pueden ser satisfechas. Antes de desarrollar un diseño de caso-base, obtener datos cinéticos y chequear esta asunción.
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Para reacciones reversibles principalmente, considerar en conducirlas en un mecanismo de separación capaz de remover los productos y de ahí conducir las Reacciones a la derecha. Tales operaciones de reaccion-separacion llevan a Distribuciones muy diferentes de las sustancias químicas.
Operaciones de separación mezclas liquido y vapor 9
Separar mezclas liquidas usando destilación, desorcion, destilación mejorada (extractiva, azeotropica, reactiva), extracción liquido-liquido, cristalización, y/o
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Adsorción. La selección entre estas alternativas está considerada en el capítulo 7. Tratar de condensar o parcialmente mezclas de vapor condensado con agua de
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Enfriamiento o un refrigerante. Luego, usar la heurística 9. Separa mezclas de vapor usando condensación parcial, destilación criogénica, Absorción, adsorción, separación de membrana y/o desublimacion. La selección Entre estas alternativas está considerada en el capítulo 7.
Operaciones de separación partículas solidas involucradas 12
Cristalizar las sustancias químicas inorgánicas desde una solución acuosa concentrada por enfriamiento cuando la solubilidad decrece Significativamente con temperatura decreciente. Mantener la solución a más de 1 a 2°F debajo de la temperatura de saturación a la concentración Predominante. Usar cristalización por evaporación, en vez de enfriamiento, cuando la solubilidad no cambia significativamente con La temperatura.
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Las velocidades de crecimiento de cristales son aproximadamente las Mismas en todas las direcciones, pero los cristales nunca son esferas. Las velocidades de crecimiento de cristales y los tamaños son controlados limitando el grado de súper saturación, S=C/Saturación donde C es la Concentración, usualmente en el rango 1.02
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Separar las sustancias químicas orgánicas por punto de cristalización con enfriamiento, usando cristalización de suspensión, seguido por remoción De cristales por sedimentación, filtración, o centrifugación. Alternativamente, se usa la cristalización de capa sobre una superficie Enfriada, con arrastre o fundición para remover los cristales. Si el
derretido forma una solución solida en vez de un eutéctico, se usa fundición repetida y pasos de congelamiento, llamado cristalización de derretido fraccional, o fundición de zona para obtener productos cristalinos casi Puros.
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Usando evaporadores múltiples (llamados efectos) en serie, el calor Latente de evaporación del agua es recuperada y rehusada. Con un solo evaporador, la relación de la cantidad de agua evaporada a la cantidad de vapor de agua externa suministrada para causar la evaporación es Típicamente de 0.8. para dos efectos, la proporción se convierte en 1.6; Para tres efectos es 2.4, y así sucesivamente. La magnitud de la elevación del punto de burbuja causado por los componentes inorgánicos disueltos Es un factor controlador en la selección del número óptimo de efectos. La elevación esta frecuentemente en el rango de 3 a 10°F entre la solución y Los puntos de burbuja del agua pura. Cuando la elevación del punto de burbuja es pequeño, el costo de evaporación mínima es obtenido con 8 a 10 efectos. Cuando la elevación del punto de burbuja es apreciable, el Numero optimo de efectos es pequeño, 6 o menos. Si es necesario, impulsar las presiones de vapor de agua de la interfase con compresores
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Mecánicos o a chorro de vapor. Cuando se emplean efectos múltiples, los flujos de vapor y liquido Pueden estar en la misma o diferente dirección. Usar alimentación directa, donde ambos flujos de vapor y liquido estén en la misma dirección, para un pequeño número de efectos, particularmente cuando la Alimentación liquida está caliente. Usar alimentación hacia atrás, donde el liquido fluye en una dirección opuesta a los flujos de vapor, para Alimentaciones frías y/o un gran número de efectos. Con alimentación directa, las bombas del liquido intermedio no son necesarias, mientras Que ellas estén para alimentación hacia atrás.
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Cuando los cristales son frágiles, el lavado efectivo es requerido, y limpiar el licor principal es deseado, se usa: gravedad, filtración de artesas Horizontales de alimentación superior para lechadas que se filtran a gran velocidad; filtración de tambores rotatorios de vacio para lechadas que filtran a veloci-
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dad moderada y Filtración por presión para lechadas que filtran a baja velocidad. Cuando las tortas con contenido de baja humedad son requeridas, se usa: Centrifugación de vasijas de solidos si los sólidos están permitidos en el licor Principal; filtración centrifuga si el lavado efectivo es requerido.
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Para material granular, fluido libre o no, de tamaños de partículas de 3 a 15mm, se usa platillo continuo y secadores de cinta con calor directo. Para sólidos granulares de fluido libre que no son sensibles de calor, usan un secador cilíndrico giratorio inclinado, donde el calor puede ser suministrado directamente de un gas caliente o indirectamente de tubos, vapor de corriente, que corren a lo largo del secador y están localizados en uno o dos anillos concéntricos y ubicados justo dentro del casco Rotatorio del secador. Para pequeños, las partículas de flujo libre de 1 a 3mm en diámetro, cuando el secado rápido es posible, se usa una Secadora transportadora neumática con calor directo. Para muy pequeñas
partículas de flujo libre de menos de 1mm de diámetro, se usa un Secador de lecho fluid izado con calor directo.
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Para pastas y lechadas de sólidos finos, se usa un secador de tambor con Calor indirecto. Para un liquido o lechada bombeable, se usa un Secador de rocío con calor directo.
Remoción de calor y adición 21
Para remover un calor muy exotérmico de reacción, considerar el uso de reactante En exceso, un diluente inerte, o inyecciones frías. Estos afectan la distribución de las sustancias químicas y deberían ser insertadas primeramente en síntesis de
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Procesos. Para menores calores exotérmicos de reacción, circular el fluido del reactor a un enfriador externo, o usar un recipiente enchaquetado o serpentines de Enfriamiento. También, considerar el uso de intercoolers entre las etapas de Reacción adiabática.
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Para controlar la temperatura para un calor muy endotérmico de reacción, considerar el uso del reactante en exceso, un diluente inerte, o inyecciones Calientes. Estos afectan la distribución de las sustancias químicas y deberían ser
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Insertados primeramente en síntesis de procesos. Para menores calores endotérmicos de reacción, circular el fluido del reactor a un Calentador externo, o usar un recipiente enchaquetado o serpentines de calor. También, considerar el uso de interenfriadores entre las etapas de reacción Adiabáticas.
Intercambiadores de calor y hornos 25
A menos que sea requerido como parte del diseño del separador o reactor, proveer necesariamente el intercambio de calor para corrientes de fluido de procesos de enfriamiento o calentamiento, con o sin utilities, en un Intercambiador de calor de tubo y coraza usando el flujo en contracorriente. Sin embargo, si la corriente del proceso requiere calor por encima de los 750°F, usar un horno a menos que el fluido del proceso este sujeto a descomposición Química.
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La temperatura casi optima mínima que se alcanza en los intercambiadores de calor dependen del nivel de temperatura como sigue: 10°F o menos para temperaturas por deb ajo del ambiente 20°F para temperaturas a ó sobre el ambiente hacia los 300°F 50°F para altas temperaturas 250 a 350°F en un horno para la temperatura del gas de salida sobre la tempera-
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tura del fluido de entrada del proceso. Cuando se usa agua de enfriamiento para enfriar o condensar una corriente del proceso, asumir la temperatura de entrada del agua de 90°F (desde una torre de Enfriamiento) y una temperatura máxima de salida del agua de 120°F.
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Hervir un liquido puro o me zcla del liquido casi hirviendo en un intercambiador de calor de separación, usando una temperatura total máxima de fuerza conductora de 45°F para asegurar el hervimiento nuclear y evitar el hervimiento De película indeseable como se discute en la sección 13.1.
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Cuando se enfría y condensa una corriente en un intercambiador de calor, un análisis de zona, descrito en la sección 13.1, debería ser hecho para asegurarse que la diferencia de temperatura entre la corriente caliente y la corriente fría es igual a o mayor que el alcance mínimo de temperatura en todas las ubicaciones En el intercambiador de calor. El análisis de zona es realizado dividiendo el intercambiador de calor en un numero de segm entos y aplicando un balance de energía a cada segmento para determinar las temperaturas de entrada y salida de la corriente correspondiente para el segmento, teniendo en cuenta algún Cambio de fase. Un programa de simulación del proceso se realiza Convenientemente en la zona de análisis.
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Típicamente, un hidrocarburo da una temperatura de flama adiabática de Aproximadamente 3500°F cuando usa la cantidad estequiometrica de aire. Sin embargo, usa aire en exceso para alcanzar la combustión completa y dar una Máxima temperatura de gas de combustión de 2000°F. Fijar la temperatura del gas de la chimenea en 650 a 950°F para prevenir la condensación de los Componentes corrosivos del gas de combustión.
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Estimar las caídas de presión de los intercambiadores de calor como sigue: 1.5 psi para hervimiento y condensado. 3 psi para un gas. 5 psi para un líquido de baja viscosidad. 7-9 psi para un líquido de alta viscosidad. 20 psi para un fluido del proceso pasando a través de un horno.
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Satisfacer una corriente muy caliente del proceso al mínimo de 1150°F antes de Enviarla a un intercambiador para una condensación y/o enfriamiento adicional. El fluido enfriador es mejor obtenido de un separador corriente abajo como en la Figura 4.21 para el proceso de hidroalquilizacion del tolueno. Alternativamente, si la corriente del proceso contiene vapor de agua, el agua líquida puede ser un Efectivo fluido enfriador.
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Si es posible, la corriente fría o caliente de partículas solidas por contacto directo con un gas caliente o gas frio, respectivamente, usan un horno rotatorio, Un lecho fluidizado, una chimenea múltiple, o un transportador neumático/flash. De lo contrario, usar un transportador espiral enchaquetado.
Operaciones de incremento de presión 34
Usar un ventilador para elevar la presión del gas desde la presión atmosférica hasta tan alto como 40 pulgadas de medición del agua (10.1 kPa gauge o 1.47psig) Usar un soplador o compresor para elevar la presión del gas hasta tan alto como 206 kPa gauge o 30 psig. Usar un compresor o un sistema de compresor graduado
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Para conseguir presiones mayores a 206 kPa gauge o 30 psig. Estimar el horsepower adiabático teórico (THp) para comprimir un gas desde:
donde SCFM=pies cúbicos estándar del gas por minuto a 60°F y 1 atm (379 SCF/lbmol),T1= temperatura de ingreso del gas en °R, presiones de ingreso y
salida, P1 y P2, son presiones absolutas, y a=(k-1)/k, con k=la relación de calor especifico del gas, Cp./Cv. Estimar la temperatura de salida teórica, T2, para un compresor del gas de:
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Estimar el numero de etapas de compresión del gas, N, desde la tabla sgte, el cual se asume una relación de calor especifico de 1.4 y una relación de Compresión máxima de 4 por cada etapa.
Presión final/presión de entrada
Numero de etapas
Las presiones de interface optima corresponde a un Hp igual para cada compresor Por consiguiente, basada en la ecuación de arriba para el compresor teórico Hp, estimar las presiones de interface usando aproximadamente la misma relación de compresión para cada etapa con una caída de presión del intercooler de 2 psi O 15 kPa.
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Para alturas cerca a 3200 pies y velocidades de flujo en el rango de 10 a 5000 gpm, Usar una bomba centrifuga. Para grandes alturas cerca a 20000 pies y velocidades De flujo cerca a 500 gpm, usar una bomba reciproca. Menos común son las bombas axiales para alturas cerca a 40 pies para velocidades de flujo en el rango de 20 a 100000 gpm y bombas rotatorias para alturas cerca a 3000 pies para
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Velocidades de flujo en el rango de 1 a 1500 gpm. Para flujo liquido, asumir una caída de presión de una línea de tuberías de 2 psi/100 pies de tuberías y una caída de presión de una válvula de control de al Menos 10 psi. Para cada elevación de 10 pies, asumir una caída de presión de 4 psi.
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Operaciones de disminución de presión 40
Estimar los caballos de fuerza teóricos (THp) para bombear un liquido desde:
Considerar el uso de un expansor para reducir la presión de un gas o una turbina de recuperación de presión para reducir la presión de un liquido cuando es mas
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De 20 Hp y a 150 Hp respectivamente, puede ser recuperada. Estimar los caballos de fuerza adiabáticos teóricos (THp) para expandir un gas
desde:
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Estimar los caballos de fuerza teóricos (THp) para reducir la presión de un liquido desde:
Liquido bombeado o gas comprimido 43
Para incrementar la presión de una corriente, bombear un liquido de manera que Se comprime un gas, a menos que la refrigeración sea necesaria.
Vacio 44
Estimar la infiltración de aire por:
donde, w=lb/hr de aire infiltrado, V=pies cúbicos del volumen del equipo bajo el vacio, y k= 0.2 para presiones mayores de 90 torr, 0.15 para presiones entre 21 y 89 Torr, 0.10 para presiones entre 3.1 y 20 torr, y 0.051 para presiones entre 1 y 3 torr.
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Para reducir la cantidad de gas que se envía al sistema de vacio si su temperatura es mayor de 100°F, añadir un condensador usando agua de Enfriamiento antes del sistema de vacío. El gas que abandona el condensador Estará a una temperatura de punto de rocío de 100°F a la presión de vacío.
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Para presiones por debajo de los 10 torr y velocidades de flujo de gas cerca a 10000 pies3/min en la entrada al sistema de vacío, usar una bomba de vacío de Anillos líquidos. Para presiones por debajo de los 2 torr y velocidades de flujo de gas cerca a 1000000 pies3/min en la entrada al sistema de vacío, usar un sistema inyector de chorro de vapor (una etapa para 100 a 760 torr, dos e tapas Para 15 a 100 torr, y tres etapas para 2 a 15 torr). Incluir un condensador de Contacto directo entre las etapas.
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Para un sistema inyector de chorro de vapor de tres etapas usado para realizar un vacio de 2 torr, 100 libras de vapor de agua de 100 psig por libra de gas son Requeridas.
Transporte de sólidos granulares 48
Si las partículas del solido son pequeñas en tamaño, bajas en densidad de partículas, y no son pegajosos o abrasivos, usar traslación neumática con aire de 1 a 7 pies3/pies3 de sólidos y de 35 a 120 pies/s de velocidad de aire para Distancias cerca a los 400 pies. De otro modo, para sólidos pegajosos y/o abrasivos de cualquier tamaño y densidad, usar un transportador de tornillo y/o un elevador de cubetas para Distancias cerca a los 150 pies. Para partículas de solido de cualquier tamaño y forma, y no pegajoso, usar una correa transportadora, con una inclinación cerca a Los 30° si es necesario, para largas distancias cerca a la milla o más.
Cambio del tamaño de la partícula solida y separación 49
Triturado de los sólidos gruesos. Usar una chancadora de mandíbulas para reducir pedazos de materiales duros, abrasivos y/o pegajosos de 4 p ulgadas a 3 Pies en diámetro a slabby partículas de 1 a 4 pulgadas en tamaño. Usar un triturador giratorio para reducir materiales slabby de 8 pulgadas a 6 pies en Tamaño a partículas de alrededor de 1 a 10 pulgadas en diámetro. Usar un triturador de conos para reducir menos material duro y pegajoso de 2 pulgadas a 1 pie de diámetro a partículas de 0.2 pulgadas (malla 4) a 2 pulgadas
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De diámetro. Molienda de sólidos finos. Usar un molino de cabillas para tomar partículas de dureza intermedia tan largas como 20 mm y reducirlas a partículas en el rango de 10 a 35 mesh. Usar un molino de bolas para reducir las partículas de baja a intermedia dureza de 1 a 10 mm en tamaño a partículas muy pequeñas de menos De 140 mesh.
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Ampliación del tamaño de partículas. Usar compresión con maquinas de compresión rotatorias para convertir polvo y gránulos a placas cerca de 1.5 Pulgadas de diámetro. Usar estrujadores con cortadores para hacer bolitas y Chapas desde pastas y vaciadas Usar apisonadores de rodillos para producir hojas desde finísimos materiales divididos; las hojas son luego cortadas en cualquier Forma deseada. Usar granuladores de tambores rotatorios y granuladores de discos rotatorios con aglutinadores para producir partículas en el rango de Tamaño de 2 a 25 mm.
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Separación en tamaño de partículas. Usar un cribon de barras paralelas vibradas, inclinadas, espaciadas para remover largas partículas mayores de 2 pulgadas de Diámetro. Usar una criba perforada cilíndrica revolvente para remover partículas De tamaño intermedio en el rango de 0.25 pulgadas a 1.5 pulgadas de diámetro. Usar plancha, cribas entrelazadas inclinadas (estándar U.S) que son vibradas, sacudidas, o impactadas con bolas rebotantes para separar pequeñas partículas En el rango de tamaño de 3 a 80 mesh. Usar un clasificador de aire para Separar partículas finas más pequeñas que 80 mesh.
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Usar un separador de ciclón para remover, desde un gas, gotitas o partículas Solidas de diámetro por debajo de los 10 micrones (0.01 mm). Usar un separador de hidroclon para remover, desde un liquido, gotitas de liquido insoluble o Partículas de sólidos de diámetro por debajo de los 5 micrones (0.005 mm). Sin embargo, las pequeñas cantidades de gotitas de liquido entrante son comúnmente removidas desde los gases por tambores aniquiladores verticales Equipados con platillos de mallas para ayudar a unir las gotitas mas diminutas.
