Unidad 3. Aplicaciones de Las Operaciones Unitarias en Lo Ambiental

Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental

Ingeniería en Tecnología Ambiental

6° Cuatrimestre

Programa de la asignatura: Operaciones unitarias ambientales

Clave: 180920621 170920621

Universidad Abierta Abierta y a Distancia de México Méxic o

Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Tecnología Ambiental

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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones operaciones unitarias en lo ambiental .............................................. 3 Presentación Presentación de la unidad ....................................................................................................... 3 Propósitos de la unidad ........................................................................................................... 3 Competencia Competencia específica específica .......................................................................................................... 3 Temario ...................................................................................................................................4 Instrucciones Instrucciones para el manejo del programa desarrollado......................................................... 4 Actividad previa. Foro de inquietudes inquietudes en operaciones operaciones unitarias unitarias ambientales ambientales .......................... 4 3.1. Usos de los equipos en la transferencia de calor.............................................................. 5 Actividad 1. Balance en equipos equipos de operaciones operaciones unitarias ambientales ambientales ................................ 12 3.2. Usos de los equipos en la transferencia de masa........................................................... 13 3.3. Usos de los equipos en el flujo de fluidos ....................................................................... 22 Autoevaluación Autoevaluación...................................................................................................................... 31 Evidencia de aprendizaje. Propuesta de solución a una problemática ambiental .................. 31 Autorreflexiones Autorreflexiones .................................................................................................................... 32 Cierre de la unidad ................................................................................................................ 32 Para saber más ..................................................................................................................... 33 Fuentes de consulta consulta .............................................................................................................. 34


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones operacio nes unitarias en lo ambiental Presentación de la unidad En ésta tercera unidad complementarás los conocimientos adquiridos durante las dos primeras unidades, en ésta unidad desarrollarás la habilidad de identificar un problema ambiental, proponer una o varias operaciones unitarias para solucionar el problema y realizar un balance de materia y energía para el proceso propuesto. Para ello deberás consultar nuevamente el material de estudio presentado en la unidad dos y estudiarlo a profundidad, tomando en cuenta las ecuaciones que se proponen y fijándote bien en las bases de diseño. Ésta unidad es fundamental para avanzar el estudio de las operaciones unitarias ambientales, pues relaciona a la operación unitaria con un equipo de proceso diseñado para lograr la purificación con un máximo de eficiencia, también aprenderás sobre la necesidad de la transferencia de calor y del flujo de fluidos para efectuar adecuadamente el proceso de purificación. También podrás observar las aplicaciones de los diferentes equipos utilizados en la transferencia de calor, transferencia de masa y flujo de fluidos.

Propósitos de la unidad Discriminar las aplicaciones de las operaciones unitarias. Seleccionar un equipo en transferencia de calor, transferencia de masa y flujo de fluidos.

Competencia específica

Seleccionar equipos en transferencia de calor, transferencia de masa y flujo de fluidos para dar soluciones a problemas ambientales, mediante el estudio de las aplicaciones de las operaciones unitarias.


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental Temario 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias. 3.1. Uso de los equipos de transferencia de calor 3.1.1. Operaciones unitarias para el manejo de partículas 3.1.2. Operaciones unitarias para el manejo de energía 3.2.

Uso de los equipos de transferencia de masa 3.2.1. Operaciones unitarias para el manejo de residuos sólidos 3.2.2. Operaciones unitarias para el tratamiento de agua

3.3.

Uso de los equipos en el flujo de fluidos 3.3.1. Operaciones unitarias en el tratamiento de vapores y gases 3.3.2. Operaciones unitarias en la ventilación industrial 3.3.3. Operaciones unitarias para el tratamiento de aguas residuales

Instrucciones para el manejo del programa desarrollado Para el manejo de este documento deberás consultar cada título de los materiales o lecturas que se encuentran dentro del texto, dichos materiales se encuentran en el aula o bien en caso que sean páginas electrónicas o vídeos los deberás consultar las fuentes de consulta para revisarlas. No olvides que para profundizar en los contenidos te podrás apoyar en las fuentes de consultas básicas y complementarias que se te proporcionan al final de la unidad. Es importante mencionar que deberás consultar un documento llamado Criterios de evaluación para que puedas darte cuenta la forma en que te será evaluado en todas las actividades en excepción de la evidencia de aprendizaje.

Actividad previa. Foro de inquietudes en operaciones unitarias ambientales Antes de comenzar el estudio de la unidad, se te presenta el foro Inquietudes en operaciones unitarias ambientales , como en la unidad anterior, éste es un espacio de consulta diseñado para que expongas las dudas e inquietudes que puedan surgir a lo largo del cuatrimestre con respecto a las temáticas que se abordan en la asignatura. *Recuerda que este espacio no es ponderable, por tanto, tienes la libertad de participar las veces que consideres necesario, ya sea para expresar una inquietud, preguntar una duda que tengas con referencia a lo expuesto o para profundizar en los temas realizando aportaciones de tu experiencia personal. Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Tecnología Ambiental

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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental Para participar, ingresa al foro y sigue las recomendaciones que ahí se te presentan. *Recuerda que tu Facilitador(a) estará al pendiente de todos los comentarios que se emitan en el foro, ya que él es el (la) encargado(a) de mediar y cerrar este espacio.

3.1. Usos de los equipos en la transferencia de calor Como aprendiste en la unidad anterior, los equipos de transferencia de calor son de tubo y coraza, rehervidores, condensadores, calderas, calderetas y hornos. Su diseño es muy diferente en cada uno de ellos y éste se aprende por medio de una especialización. Para que puedas profundizar en un vaporizador de coraza consulta el libro del autor Kern llamado Procesos de transferencia de calor, el capítulo quinceavo titulado Vaporizadores, evaporadores y calderetas en las páginas 532 a la 534. Este capítulo utilizará en el desarrollo de la evidencia de aprendizaje en donde desarrollarás el cálculo de una torre de destilación que necesita un evaporador para generar el cambio de fase y producir la separación de los componentes volátiles en un líquido. El diseño de todos estos equipos se basan en la termodinámica, que es la ciencia que sirve de punto de partida para el estudio de la transferencia de calor, el cual hace referencia a la forma en que éste pasa de un material a otro, y la forma de detectar éste paso es por medio de un cambio de temperatura. Dentro de las operaciones unitarias, la transferencia de calor juega un papel muy importante, puesto que la mayoría de ellas necesita del intercambio de calor para poderse efectuar. Como ingeniero ambiental, debes conocer éstos principios de transferencia y en ésta unidad se hace referencia al balance energético, ya que te encontrarás con la problemática de proponer un equipo adecuado para efectuar una operaciones unitarias como el acondicionamiento del aire y sistemas de refrigeración, todo tipo de hornos, calentadores y equipos de procesos químicos, ya que tu labor es muy parecida a la del ingeniero químico, pero con un enfoque hacia la conservación y mejoramiento del ambiente. Sabes que la ley de la conservación de la energía se enuncia como sigue:


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental “La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.” Ve el siguiente ejemplo:

Gases de chimenea una problemática ambiental

La fábrica tiene procesos que generan calor, éste se elimina de dos formas; por medio de los gases de chimenea y mediante el calentamiento del agua de enfriamiento, aquí se debe establecer un balance energético. El proceso mostrado en la figura genera problemas ambientales que se tienen que resolver y en ellos interviene la transferencia de calor, estos problemas son ocasionados por la combustión del carbón que se utiliza para generar energía eléctrica, éstos gases al mezclarse con el aire en la parte superior de la chimenea se difunden en él y transportan partículas contaminantes hacia los alrededores de la chimenea, como puedes observar, en este simple esquema están implícitas la transferencia de calor, la mecánica de fluidos y el transporte de masa. No olvides que en la chimenea ocurren los tres procesos de la asignatura mencionados, siendo la chimenea el equipo para la realización de la operación unitaria. ¿Qué problemas ambientales originan los gases de chimenea? Esta pregunta la puedes exponer en el foro de dudas para que puedas enriquecerte desde tu punto de visto y la de tus compañeros(as). Para que puedas observar la interacción entre la masa, el calor y los fluidos y una de las aplicaciones de los equipos de estas transferencias, en esta sesión aprenderás un poco sobre el diseño de chimeneas para que puedas determinar los parámetros más importantes sobre las especificaciones que debe reunir una chimenea. Como ingeniero en Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Tecnología Ambiental

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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental tecnología ambiental explicarás la altura que debe tener una chimenea, la distancia en la que se depositarán los contaminantes sólidos a concentración máxima, la concentración máxima de contaminantes y la altura que alcanzará la columna de humo puesto que los vapores y gases emitidos por una chimenea son una fuente de contaminación cotidiana en las grandes ciudades. El humo que observas saliendo de la chimenea es una mezcla de moléculas de agua en forma de vapor, mezclado con cenizas de carbón y moléculas gaseosas como el bióxido de azufre y los óxidos de nitrógeno, estas moléculas son las partículas, en el siguiente ejemplo determinarás la concentración de ellas en el ambiente. Para ello revisa el siguiente ejemplo de diseño de chimenea: Determinación del máximo nivel de concentración en el suelo Una planta de poder quema 5.45 toneladas de carbón por hora, y descarga los productos de la combustión por medio de una chimenea que tiene una altura efectiva de 75 m. El carbón tiene un contenido de sulfuro de 4.2%, se estima la velocidad del viento, en la parte superior de la chimenea, en 6 m/s. Las condiciones atmosféricas son moderadamente estables. Se desea determina el máximo nivel de concentración de SO 2, a nivel de suelo a 850 m con viento a favor y la distancia máxima desde la chimenea en la que se depositan los desechos. También se debe calcular la altura que alcanza la puma de humo y la altura real de la chimenea. El primer paso en este proceso es establecer la reacción química para formar el dióxido de azufre (SO2) Estequeométricamente la reacción es: S + O2 = SO2 La ecuación está balanceada, ahora se procede a determinar las masas moleculares de cada elemento. Propiedad

S

O2

SO2

Número de átomos o moléculas

1

2

1

Masa atómica

32

16

64

Peso fórmula

32

32

64

Tabla para el balance de materia y energía.

Esto indica que por cada 32 umas de azufre, se necesitan otras 32 umas de oxígeno para producir 64 umas de dióxido de azufre. Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Tecnología Ambiental

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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental El problema indica que el contenido de azufre es de 4.2% en peso, ahora se calcula la cantidad de SO2 que se produce. El carbono que se quema es: 5.45 ton/h =5450 kg/h El contenido de azufre es: 5450 kg/h *4.2%=228.9 Se redondea a 229 para simplificar los cálculos, entonces si hay 229 kg/h de azufre, se necesitan otros 229 kg/h de oxígeno, por tal motivo se forman 458 kg/hr de SO 2. Convirtiendo éste flujo a m/s se tiene:

El siguiente paso es determinar la distancia a la que serán depositadas las partículas del contaminante. Para ello tienes que utilizar la información que se presenta:

Zona de estabilidad A B C

Definición Muy inestable inestable Ligeramente inestable

Zona de estabilidad D E F

Definición neutral Ligeramente estable estable

Clases de estabilidad de Pasquill. Tomado de Pasquill, (1974).


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Tomado de Davis y Mackenzie, (1973).

El cálculo de los coeficientes de dispersión horizontal y vertical para determinar la dispersión del contaminante se realiza ayudado de la figura 6-6 la cual se modela mediante las siguientes ecuaciones: σ

=axb

σ

=cx

y

d

z

Estos coeficientes está relacionado con la mecánica de fluidos, la concentración de los contaminantes se relaciona con la velocidad de los fluidos, y la longitud de la chimenea. Con la siguiente tabla tienes los coeficientes necesarios para determinar los coeficientes de dispersión sigma.

Clase de estabilidad A B C D E F

a

b

0.527 0.371 0.209 0.128 0.098 0.065

0.865 0.866 0.897 0.905 0.902 0.902

Coeficientes c 0.28 0.23 0.22 0.2 0.15 0.12

d 0.9 0.85 0.8 0.76 0.73 0.67

Determinación de los parámetros de dispersión. Santa Cruz, (2000). Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Tecnología Ambiental

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Una vez que se han calculado los coeficientes sigma se procede a calcular la concentración máxima por medio de la ecuación:

Δh

La altura de la pluma se denomina y se puede determinar por medio de la ecuación de Holland. (Veslind, Morgan, Heine, 2010):

Ésta ecuación involucra la presión atmosférica, la temperatura de los gases de chimenea, la temperatura del aire, la velocidad de los gases y del aire así como el diámetro de la chimenea. Ahora la utilizarás para continuar con la resolución del problema, los datos pertinentes se enuncian a continuación: Se sabe que la velocidad de los gases en el interior de la chimenea es de 9.14 m/s, el diámetro interior de la chimenea es de 1.07 m, la altura efectiva de la chimenea es de 75 m, la velocidad del viento equivale a 6 m/seg, la temperatura del aire es de 13°C, la presión barométrica es de 1000 milibars y la temperatura de los gases es de 149°C. Temperatura del aire en kelvin:

Ta =13+273=286 k


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental Temperatura de los gases de chimenea:

Diferencia de temperaturas:

Ts =149 + 273 = 422

Δ T = 136 k

Por lo tanto, la altura de la chimenea es: h= H − Δ h

h= 75− 3.85 = 71.15 m

Con esto lograste determinar la altura de una chimenea y la altura de la columna de contaminantes, estableciste las distancias vertical y horizontal en las cuales se dispersa el contaminante y determinaste la concentración máxima de contaminante que se dispersa. Para saber más sobre la difusión de partículas en el aire puedes consultar el documento del autor Santa Cruz, llamado Difusión de contaminantes gaseosos en la atmósfera. Estabilidad atmosférica: Determinación de los parámetros de dispersión , publicado por la

Universidad Tecnología Nacional. En este trabajo se presenta la descripción de la metodología para determinar los coeficientes de dispersión de partículas en la atmósfera, producidos por diversos sectores industriales, utilizando las gráficas de Pasquil. Esto lo puedes consultar en la sección Para saber más.

Con todo ello podrás realizar la primera actividad de esta unidad que a continuación se te presenta:


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental Actividad 1. Balance en equipos de operaciones unitarias ambientales Esta actividad podrás identificar las aplicaciones o contribuciones de las operaciones unitarias en una problemática ambiental, donde deberás calcular el balance de masa y energía de una operación unitaria seleccionando un equipo. 1. Espera el caso de la problemática ambiental que te enviará tu Facilitador(a). 2. Elabora un documento en donde con las siguientes características: Introducción:  

La problemática ambiental enviada La operación unitaria que se lleva a cabo en la problemática ambiental

Desarrollo: El equipo que se utiliza para realizar la operación unitaria La pureza de los componentes que se requiere El balance de masa y energía que se requiere para alcanzar las condiciones de pureza establecidas El diseño de los recipientes que se utilizan para realizar la operación unitaria, indicando las dimensiones y características del equipo   



Conclusión: La contribución a mejoramiento del ambiente que proporciona realizar esta operación unitaria 

3. Consulta la Rúbrica de evaluación para que observes los parámetros con los que se te evaluarán. 4.Guarda el documento con la nomenclatura TOUA_U3_A1_XXYZ. 5. Envía tu trabajo a la sección de Tareas y espera la retroalimentación de tu Facilitador(a). *Es importante mencionar que esta actividad es base para el desarrollo de tu evidencia de aprendizaje, por tanto debes cuidar que tu reporte de investigación sea de excelente calidad. *Recuerda que tienes el Foro de inquietudes en operaciones unitarias ambientales para consultar cualquier duda e inquietud que te surja para realizar esta actividad, también puedes ayudar a tus compañeros(as) a resolver las suyas.


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental 3.2. Usos de los equipos en la transferencia de masa La transferencia de masa es el principal objetivo de una operación unitaria, pues la masa se debe mover de una fase a otra para purificar un sistema, en el ejemplo de la chimenea, los gases provenientes de la combustión de calor, se mueven a través de la chimenea, aquí ésta se convierte en el equipo por medio del cual se lleva a cabo la transferencia de masa pues proporciona el conducto para que los gases escapen hacia la atmósfera, en el fondo quedan los residuos sólidos de la combustión a medida que los gases van subiendo por la chimenea, van eliminando los sólidos inmiscibles y poco a poco sólo queda el SO 2

mezclado con vapor de agua. Si observaste detenidamente el desarrollo de los cálculos, se mostró que la concentración de los gases es una función de la altura efectiva de la chimenea, del flujo de gas, de la velocidad de los gases. En el ejemplo que verás más adelante de la torre de destilación para benceno y tolueno que se te presenta para que puedas desarrollar la evidencia de aprendizaje, se especificará la pureza que debe contener la corriente del domo y la pureza en el fondo de una torre de destilación para separar una mezcla de Benceno-Tolueno, entonces para lograr las especificaciones de pureza de los productos, debes diseñar la torre de destilación, esto es, debes determinar el número de platos que debe tener en su interior y debes indicar en qué plato se debe alimentar la corriente con la mezcla original. El tipo de equipo depende directamente de la cantidad de materia que se utilice, los estados físicos de la mezcla a separar, la cantidad de calor que se aplique o se elimine y el tipo de flujo que se utilice, ya sea laminar o turbulento. Al diseñar un equipo debes tomar en cuenta todos los aspectos mencionados. Para que puedas revisar los tipos de equipo y su simbología, en el libro de Equipo para procesos químicos: selección y diseño, Stanley M. Walas, en el segundo capítulo llamado Diagrama de flujo , consulta la simbología de los equipos utilizados en las operaciones unitarias que te servirán para elaborar un diagrama de proceso para la purificación o fabricación de sustancias. A continuación se te presenta un ejemplo de aplicación de un equipo para separar sólidos suspendidos en una corriente de agua dentro del proceso de purificación del agua, éste pertenece a la operación unitaria denominada Sedimentación. Separación de sólidos por sedimentación Cuando una partícula está suspendida en agua, dos fuerzas actúan sobre ella, la primera de ellas es la fuerza de gravedad, la cual está dada por la ecuación:

f g = ρ p  g  V p


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental La segunda fuerza, es la fuerza de flotación, la cual se cuantifica por medio del principio de Arquímedes con la fórmula:

en dónde: Símbolo

f g

ρ p

Definición Fuerza de gravedad

Densidad de la partícula

g

Constante de gravedad

V p

Volumen de la partícula

f f

Fuerza de flotación

f arrastre

Fuerza de arrastre

C D

A p v t Re

Coeficiente de arrastre Área transversal de la partícula perpendicular a la dirección del movimiento Velocidad de asentamiento de la partícula

Número de Reynolds Tabla de simbología.

La condición para que las partículas queden suspendidas es que la densidad de la partícula sea igual a la densidad del agua. Esto es:


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental ρ p = ρagu

f neta

=

0

Si las densidades son diferentes entonces existirá una fuerza neta y la partícula se moverá en dirección de la fuerza. Una vez que se origina el desplazamiento de las partículas en una dirección, se crea una tercera fuerza, originada por la fricción viscosa, la cual se denomina fuerza de arrastre y ésta se determina por la fórmula (McCabe, 2007):

Si se desea calcular la velocidad de la partícula cuando ésta es esférica, adoptamos la ecuación:

Si el flujo es laminar, la forma de determinar C D es:

C D =

24 Re

Ahora determinarás la velocidad de sedimentación de una partícula esférica en agua. Supongamos que se tiene partículas suspendidas en agua con diámetro de 5mm y gravedad específica de 2.65 en un estanque de agua cuya temperatura es de 20°C


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental ρagua= 1

Para flujo laminar y temperatura de 20°C se asume que

kg m³

y

La velocidad de asentamiento es de 0.23 m/s, ahora se debe revisar el número de Reynolds para saber si realmente el flujo es laminar como se había supuesto al principio.


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental Este número de Reynolds nos indica que el tipo de flujo no es laminar, sino de transición, recordarás que en la unidad uno se mencionó que dicho número es inferior a uno para flujo laminar y para flujo turbulento mayor de 10,000.

Ahora determinaremos el

C D

Una vez determinado el coeficiente de arrastre para el flujo transicional se vuelve a determinar la velocidad de sedimentación:


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental Como puedes observar ahora existe una variación entre las dos velocidades de asentamiento, ésta paso de 0.22 a 0.11 m/s, por lo cual se tiene que repetir el procedimiento hasta que no exista variación significativa.

v t =

0.095

m s

El cambio fue de 0.11 a 0.095 que ya es una diferencia pequeña, realiza una vez más los cálculos.


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Z0

Zp

Columna de sedimentación.

Para la aplicación práctica de la sedimentación, realizarás el diseño de un depósito de asentamiento rectangular. Supón que quieres sedimentar las partículas en suspensión de un caudal de agua equivalente a 15,000 m³/día a la cual se le agrega un coagulante para producir partículas en suspensión (flóculos), a partir de un análisis de columna se ha determinado que un desbordamiento con velocidad de 20 m/día producirá resultados satisfactorios si el tanque de sedimentación tiene una profundidad de 3.5 m.


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental En éste caso lo que tienes que determinar son las dimensiones del tanque de asentamiento. Lo primero que tienes que hacer es el calcular el área superficial, la fórmula que se utiliza es:

El diseño de depósitos de asentamiento rectangulares para procesar grandes cantidades de agua con sólidos en suspensión aplica algunas reglas heurísticas (Walas, 1999):   

La primera dice que la longitud debe ser entre 2 y 4 veces su ancho. La segunda nos dice que la longitud está entre 10 y 20 veces la profundidad. El ancho de un tanque de asentamiento no debe exceder los 12 m puesto que al exceder este valor se tienen problemas con el equipo de remoción de lodos.

Para ser conservadores se realizan los cálculos estableciendo una relación de 3:1


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental Número de tanques

Área por tanque

Ancho

Largo

1

750

15.811388301

47.434164903

2

375

11.180339887

33.541019662

3

250

9.1287092918

27.386127875

4

187.5

7.9056941504

23.717082451

Cálculos iterativos para determinar el ancho y e l largo de un Tanque de sedimentación.

De los cálculos anteriores se observa que si se construyen dos tanques, las dimensiones se acercan al límite del ancho máximo 11.18m lo cual sugiere que el tanque de sedimentación deberá tener doce metros de ancho y 34m de largo. Para que puedas darte una idea más clara sobre este Tanque de sedimentación observa la siguiente figura:

Tanque de sedimentación.


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental 3.3. Usos de los equipos en el flujo de fluidos El flujo de fluidos influye directamente en los equipos puesto que la forma del recipiente utilizado dependerá de las características físicas de las sustancias que se transportan o que se almacenan. Supón que quieres almacenar una mezcla de propano-butano (gas LP). Para almacenarlo generalmente a nivel industrial se utilizan esferas, el gas primero se licúa esto es se le aplica presión y se le disminuye la temperatura con la finalidad de tenerlo en estado líquido, entonces un recipiente que soporta éstas presiones de forma efectiva es la esfera, o en cilindros, los cuales también soportan bien la presión sin deformarse. Los tubos (cilindros) son ideales para el transporte de fluidos con flujo turbulento y que puede transportar sustancia con compuestos volátiles, mientras que los vertederos o los canales son formas óptimas cuando se requieren que el transporte de fluidos se realice en forma de flujo laminar. En este tema te enfocarás en el diseño de una torre de destilación qué es un cilindro en el cual utilizaremos una mezcla líquida de benceno y tolueno, contaminantes primarios, que separarás para un mejor control de la atmósfera: Una columna de fraccionamiento continuo ha de diseñarse para separar 30000lb/h de una mezcla que contiene 40% de benceno y 60% de tolueno en un producto de domo que contiene 97% de benceno y en el fondo 98% de tolueno. Los porcentajes se expresan en porciento peso. Se requiere una relación de reflujo de 3.5 moles por mol de producto. Los calores latentes molares del benceno y del tolueno son 7360 y 7960 cal/mol-g respectivamente. El benceno y el tolueno forman un sistema ideal con una volatilidad relativa del orden de 2.5; la curva de equilibrio se elaborará a partir de las presiones parciales de los componentes. La alimentación tiene una temperatura de ebullición de 95°C a la presión de 1 atmósfera. a. Calcula los flujos molares de los productos del domo y del fondo por hora. b. Determina el número de platos ideales y las posiciones del plato de alimentación, si la alimentación es un líquido a 20°C (calor específico = 0.44) Si para la calefacción se utiliza vapor de agua a la presión manométrica de 20 Lbf/pulg² (calor cedido 522) ¿qué cantidad de vapor se requiere por hora despreciando las pérdidas de calor y suponiendo que el reflujo es un líquido saturado? Si el agua de refrigeración entra al condensador a 80°F y sale a 150°F, ¿qué cantidad de agua será necesaria? La forma de solucionar el problema es el siguiente: Se determinan las concentraciones molares de las corrientes de alimentación, en el domo y en el fondo. Para ello se necesitan los pesos fórmula de cada uno de los elementos de la mezcla. Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Tecnología Ambiental

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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental Compuesto

Átomos de carbono Átomos de hidrógeno

Peso fórmula

12 uma

1 uma

Total

Benceno

6*12 = 72

6*1= 6

78

Tolueno

7*12 = 84

8*1 = 8

92

Pesos fórmula del Benceno y Tolueno

Lugar

Benceno

Tolueno

Alimentación

40%

60%

Domo

97%

3%

Fondo

2%

98%

Datos de concentraciones requeridos para la realización.


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental 2

x fondo=

78 2

+

78

x fondo

=

98 92

0.0235

El peso fórmula promedio de la mezcla de alimentación es:

Peso formulaalimentación =

100 40 78

Peso formulaalimentación

=

+

60 98

85.84 umas

Una vez determinadas las concentraciones molares en cada parte de la torre de destilación se procede a realizar un balance de masa en cada parte de la torre de destilación.

lb h lb 85.84 lbmol 30000

Flujomolar alimentación

Flujomolar alimentación

=

=

349.49

lbmol h

El benceno en el domo es:

=cx z

σ

d


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental Benceno Domo



349.49 *

(0.44 0.0235) 

(0.9744

Benceno Domo= 153.14



0.0235)

lbmol h

El benceno en el fondo se determina por diferencia como sigue:

Benceno fondo Bencenoalimentación − Benceno Domo =

Benceno fondo

=

Benceno fondo

349.49− 153.14

=

196.35

lbmol h

El siguiente paso es determinar el número de platos para lograr la pureza deseada. Partiremos de las presiones de vapor para el benceno y el tolueno que se muestran en la siguiente tabla. Temperatura °C 80.1 85 90 95 100 105 110.6

Presión de vapor del Benceno Kpa 101.32 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2 240

Presión de vapor del Tolueno Kpa 46 54 63.3 74.3 86 101.32

Presiones de vapor a diferentes temperaturas para el Benceno y el Tolueno.

Se necesita determinar las concentraciones parciales del benceno y del tolueno. Supondrás que la presión de trabajo es 101.32 kpa.

( presionoperación− presionbenceno ) x benceno = ( presiónbenceno − presióntolueno ) Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Tecnología Ambiental

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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental Es la concentración de benceno en la fase líquida.

Es la concentración del benceno en la fase del vapor. Los resultados se presentan en la siguiente tabla: Temperatura ° Presión de Presión de X benceno Y benceno vapor de vapor del Benceno tolueno 80.1 101.32 1 1 85 116.9 46 0.780254 0.900234 90 135.5 54 0.580613 0.776482 95 155.7 63.3 0.411472 0.632315 100 179.2 74.3 0.257579 0.455567 105 204.2 86 0.129611 0.261217 110.6 240 101.32 0 0 Fracciones molares de equilibrio benceno-tolueno. Tomado de Perry, Perry, Green y Maloney (2002). Si graficas x de benceno vs y de benceno obtendrás la siguiente gráfica La ordenada al origen de la línea de operación se obtiene dividiendo la concentración en el domo entre el reflujo pedido más uno.

Ordenadaorigenlineade operación=

x domo

( reflujo + 1 ) 0.974

Ordenada origenlíneade operación=

( 3.5 + 1 )

Ordenada origenlíneade operación

=

0.216

Este punto se une con las concentraciones el domo y se traza la línea. La concentración de la alimentación es 0.44 para el eje x, ahí se traza una línea vertical hasta que se intercepte con la línea de alimentación. Después se comienzan a trazar líneas horizontales y verticales para unir la línea a 45° con la curva de concentración, esto te dará el número de platos que tendrá la torre. Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Tecnología Ambiental

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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental Observa la gráfica.

Diagrama x-y concentración de benceno y número de platos que necesita la torre de destilación.

De la gráfica se puede observar que se necesitan doce platos para lograr los requerimientos de pureza en el domo y en el fondo a partir de la alimentación. Balance energético Calcularás el calor latente de la mezcla de alimentación

λalimentación = xalimentación  λbenceno + xtolueno  λtolueno λalimentación = 0.44  7360 + 0.56  7960


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental 7696 λalimentación =

cal gmol

El calor latente de vaporización se calculara de la siguiente forma. Primero se determina el indicador q:

El flujo de vapor en la zona de rectificación es:

El agua de refrigeración será de:


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Como lograste observar en el diseño de una torre de destilación interviene el balance de masa y energía. Con esto concluye el ejemplo para que puedas realizar tu evidencia de aprendizaje, la cual será un problema similar. Para profundizar en esta temática deberás consultar el noveno capítulo de autor Treybal llamado Destilación, del libro Operaciones de transferencia de masa de las páginas 378 a 512 en las cuales podrás encontrar los principios de cálculo para el diseño de columnas de destilación y rehervidores. Debido a que lo visto en la unidad sólo es un pequeño ejemplo de lo que se debe realizar. Por otro lado podrás consultar el documento llamado Reglas heurísticas de diseño del autor Walas publicado en 1999, en donde encontrarás algunas reglas empíricas para el diseño de equipos como por ejemplo: 













Transportadores de tornillo. Son equipos utilizados para transportar sólidos abrasivos, se recomienda que tengan una inclinación de 20 grados y una longitud no mayor a 150 pies (50 m aproximadamente) ya que una mayor longitud afecta el desempeño de la flecha de torque. Un eyector de tres etapas. necesita 100 lb de vapor por libra de aire para mantener una presión de 1 Torr. Torre de enfriamiento. El agua en contacto con aire en condiciones adiabáticas se enfría hasta la temperatura de bulbo húmedo. Cristalizador. La tasa de crecimiento de los cristales en condiciones satisfactorias está en el rango de 0.1 a 0.8 mm/hr en un cristalizador. Torre de destilación. La destilación es el método más económico para separar líquidos, es superior a la extracción, la absorción y la cristalización. Torre de destilación. La presión de operación de una torre de destilación es determinada por la temperatura del medio de condensación del que se disponga. Torre de destilación. El número óptimo de platos, económicamente hablando, es aproximadamente de 12 veces el número mínimo de platos.


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental 

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





Intercambiador de calor. La temperatura del agua de enfriamiento en un intercambiador de calor es de 90°F en la entrada y un máximo de 120°F en la salida. Intercambiador de calor. La medida estándar de los tubos internos de un intercambiador de calor es de 3/4 de pulgada de diámetro y 16 pies de longitud. Tanque de sedimentación. Sólidos en suspensión con velocidades de sedimentación es de 0.03 pies/segundo no necesitan agitarse, pero cuando la velocidad de sedimentación es de 0.15 pies/segundo, necesitan un agitación intensa para favorecer la sedimentación. Bomba rotatoria. Las bombas rotatorias con capacidades de 1 a 5000 galones por minuto, y hasta 50000 pies de cabeza, tienen una eficiencia que va desde el 50% hasta el 80%. Reactores. Para el diseño de reactores, la velocidad de reacción se debe determinar en el laboratorio y la velocidad o el tiempo de residencia en él se determinan en una planta piloto. Cilindro contenedor. La relación de longitud con respecto al diámetro para un recipiente contenedor de líquidos es generalmente de 3 veces. Tanque a presión. La presión de diseño debe ser aproximadamente 10% superior a la presión de operación o de 10 a 25 psi por arriba de la presión de operación, cualquiera que resulte mayor. Tanque de almacenamiento. Para almacenar hasta 1000 galones, utiliza tanques verticales sobre columnas.

Así se te podrían mencionar muchas reglas más, éstas se van adquiriendo con la experiencia y hasta tú podrías crear tus propias reglas, la finalidad de ellas es que tengas un punto de partida para poder determinar si tus diseños de equipo se aproximan a lo que dicta la experiencia. Un ejemplo de esto es cuando compras 15 unidades que cuestan 9.90, para saber lo que debes pagar aproximadamente dices 15*10 = 150 que es una forma sencilla para que no te cobren en demasía.

Para saber más sobre el diseño y cálculo de las Torres de destilación y Tambor de reflujo puedes observar el siguiente video llamado Columna de destilación binaria, estos se encuentran editados en 2 partes. Es importante mencionar que sólo consultarás las 2 primeras partes de este video. Dichos videos los puedes consultar en la sección Para saber más.


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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental Autoevaluación Es momento de reforzar y conocer los aprendizajes relacionados con las temáticas que pudiste abordar en esta primera unidad, por lo tanto es importante que resuelvas el ejercicio de Autoevaluación, éste lo podrás encontrar dentro del aula virtual. Para realizarlo, lee las preguntas que se encuentran desarrolladas y elige la respuesta correcta que se encuentran en el documento llamado Autoevaluación.

Evidencia de aprendizaje. Propuesta de solución a una problemática ambiental En ésta actividad, te permitirá seleccionar equipos en transferencia de calor, transferencia de masa y flujo de fluidos para dar soluciones a problemas ambientales, mediante el estudio de las aplicaciones de las operaciones unitarias. Para ello deberás realizar lo siguiente: 1. Retoma tu reporte de la actividad anterior. Recuerda que este documento es base para el desarrollo del contenido de esta actividad. 2. Elabora un guion para realizar un video, éste te servirá para apoyarte en la estructuración de la información que presentarás. La información que se requiere en el video es la siguiente:  



La problemática ambiental que resolviste Los cálculos paso a paso comenzando por los balances de materia y energía, después el diseño de equipo y su representación gráfica La conclusión de cual fue tu contribución para el mejoramiento del ambiente

Las características que deberá contener tu video son las siguientes:  



Tiempo de duración máxima 20 minutos El audio deberá ser claro y deberá narrar conforme se observa cada paso. *Revisa que no existan ruidos que perturben esta característica Las escenas deberán de ser nítidas. *Cuida la iluminación del lugar en donde filmes.

*Para la realización de tu video, puedes basarte en los videos Columna de destilación binaria primera y segunda parte que se exponen en la sección Para saber más. Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Tecnología Ambiental

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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental 3. Consulta la Rúbrica de evaluación en donde podrás observar los parámetros por los cuales te será evaluado(a). 4. Guarda tu video con tu nombre y súbelo a un sitio donde se gestionen videos como You tube. 5. Copia la dirección URL de tu video. 6. Elabora un documento y pega tu URL con la finalidad de que tu Facilitador(a) pueda revisar tu video. 7. Guarda tu documento con la nomenclatura EA_TOUA_U3_XXYZ. 8. Envía al Portafolio de evidencias y espera la retroalimentación de tu Facilitador(a). *Recuerda que tienes el Foro de inquietudes en operaciones unitarias ambientales para consultar cualquier duda e inquietud que te surja para realizar esta actividad, también puedes ayudar a tus compañeros(as) a resolver las suyas.

Autorreflexiones Además de enviar tu evidencia de aprendizaje, deberás ingresar al foro de Autorreflexión, el cual solo es de consulta, ahí tu Facilitador(a) hará las preguntas detonadoras y guía con las cuales elaborarás una autorreflexión. Posteriormente elabora un documento de texto y describe en ella tu autorreflexión, guárdala y súbela a través de la herramienta de Autorreflexiones. *No olvides que también se toman en cuenta para la calificación final, por lo cual deberás hacer una por cada unidad.

Cierre de la unidad A lo largo de estas tres unidades, aprendiste las bases para utilización de las operaciones unitarias para resolver problemáticas ambientales. También revisaste sus principios, los fenómenos de transporte que ocurren con la masa y su relación con los fluidos, así como el efecto del calor sobre cada una de ellas. Con ello estás capacitado para proponer soluciones a un problema que requiera el uso de una operación unitaria identificando las fases en las que se lleva acabo, el grado de pureza de las sustancias componentes y los requerimientos energéticos para su correcta separación. Reconociste los principales equipos y recipientes que se utilizan industrialmente para la realización de una operación Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Tecnología Ambiental

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Operaciones unitarias ambientales Unidad 3. Aplicaciones de las operaciones unitarias en lo ambiental unitaria, también aprendiste a diseñar algunos sin profundizar lo cual te servirá para identificar las partes de un diseño de estos equipos. Como ingeniero en tecnologías ambientales tienes mucho que aprender sobre los equipos y los cálculos que se utilizan para resolver completamente un problema ambiental. Esta labor no la puedes realizar tu sólo sino que deberás tener un equipo de trabajo formado por expertos en cada una de las áreas de las operaciones unitarias para que en conjunto sean capaces de dar soluciones sustentables a los problemas ambientales.

Para saber más 1. En éste documento llamado Difusión de contaminantes gaseosos en la atmósfera de la Universidad Tecnológica Nacional , se realiza un estudio para determinar la difusión de contaminantes en el aire, el cual está sustentado en la metodología de Pasquill, quien clasificó a las condiciones atmosféricas en seis categorías que dependen de la velocidad del viento, la nubulosidad del medio ambiente y la radiación. Esto se toma como base para el diseño de las chimeneas y así evitar que se depositen demasiados contaminantes en la atmósfera. El trabajo presenta la descripción de la metodología para determinar los coeficientes de dispersión de partículas en la atmósfera, producidos por diversos sectores industriales, utilizando las gráficas de Pasquil. Para conocer más de este documento da clic en la siguiente liga: http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/5_anio/orientadora2/apunte s_catedra/Contaminacin%20Atmsfera.pdf 2. En los siguientes videos llamados Columna de destilación binaria parte 1 y parte 2 podrás observar qué sucede en una Torre de destilación y Tambor de reflujo, así como las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de las sustancias al pasar por los platos., fundamentado por el Libro Simulación, modelado y control de procesos para ingenieros químicos. Para ello deberás dar clic en las siguientes ligas: http://www.youtube.com/watch?v=V4KOcrtKLAc


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Unidad 3. Aplicaciones de Las Operaciones Unitarias en Lo Ambiental

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