1. ~o z~ Ctrj trj~ ~ ~ OPERACIONES : UNITARIAS INGENIERA ~,~ QUMICA ~z~ ~~ ~> >~ ~ >rJJ -~"'~~ '"rD X,...Do) ~~::;:~ rD Q. _.~_.C)- .11 = Mc[RBE. SMITH HRRRIOTT ~o z~ c~ ~~ ~ ~ OPERACIONES ~ UNITARIAS,.... INGENIERA S,~ QUMICA ~z~ ~;.03 n> >~ ~ >00 McCRBE SMITH HRHHIOTT http://gratislibrospdf.com/ 2. http://gratislibrospdf.com/ 3. OPERACIONES UNITARIAS, , EN INGENIERIA QUIMICA OPERACIONES UNITARIAS, , EN INGENIERIA QUIMICA }' /http://gratislibrospdf.com/ 4. OP: EN SEXTA War North ( Julir Pete Cornel Trad. Marf Traduci .! Revis Dra. : ESIQI1 Institut M.C. Profese en Ope ESIQ/1 Institut MI http://gratislibrospdf.com/ 5. OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERA QUMICA SEXTA EDICIN Warren L. McCabe North Carolina Sta te University 1 Julian C. Smith Peter Harriott Cornell University Traduccin: Mara Aurora Lanto Arriola Traductora profesional . t Revisin tcnica: Dra. Mara Teresa Coll Serrano ESIQIE Instituto Politcnico Nacional M.C. Anselmo Osorio Mirn Profesor de Instrumentacin y Control de Procesos en Operaciones Unitarias ESIQIE Instituto Politcnico Nacional McGRAW-HILL ). MXICO- BUENOS AIRES - CARACAS -GUATEMALA-LlSBOA-MADRID-.NUEVA YORK SAN JUAN-SANTAF DE BOGOT- SANTIAGO- SAO PAULO-AUCKLAND LONDRES - MILN - MONTREAL - NUEVA DELHI - SAN FRANCISCO - SINGAPUR SToLOUIS - SIDNEY - TORONTO OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERA QUMICA SEXTA EDICIN Warren L. McCabe North Carolina State University Julian C. Smith Peter Harriott Cornell University Traduccin: Mara Aurora Lanto Arriola Traductora profesional Revisin tcnica: Dra. Mara Teresa Coll Serrano ES/Q/E Instituto Politcnico Nacional M.C. Anselmo Osorio Mirn Profesor de Instrumentacin y Control de Procesos en Operaciones Unitarias ESIQ/E Instituto Politcnico Nacional McGRAW-HILL MXICO- BUENOS AIRES - CARACAS -GUATEMALA-LlSBOA-MADRID--NUEVA YORK SAN JUAN-SANTAF DE BOGOT- SANTIAGO- SAO PAULO-AUCKLAND LONDRES - MILN - MONTREAL - NUEVA DELHI - SAN FRANCISCO - SINGAPUR STo LOUIS - SIDNEY - TORONTO http://gratislibrospdf.com/ 6. Gerente de producto: Francisco E. Vargas Reyes Supervisor de edicin: Felipe Hernndez Carrasco Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca CON Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorizacin escrita del editor. OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERA QUMICA Sexta edicin DERECHOS RESERVADOS 2002, respecto a la sexta edicin en espaol por McGRAW-HILLIINTERAMERICANA EDITORES, S.A. de c.v. A Subsidiary ofThe McGraw-Hill Companies Cedro Nm. 512, Col. Atlampa Delegacin Cuauhtmoc 06450 Mxico, D.F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736 ISBN 970-10-3648-4 . ! Translated from the sixth English edition of Unit Operations of Chemical Engineering By Warren L. McCabe, Julian C. Smith and Peter Harriott Copyright 2001, by The McGraw-Hill Companies, Inc. ISBN 0-07-039366-4 4567890123 09876532104 Impreso en Mxico Printed in Mexico Esta Obra Se termin de imprimir en el mes de Octubre Del 2005, en los talleres de: Lltogrfica Ingramex, SA de C.V. Centeno 162-1 Granjas Esmeralda C.P. 09810, Iztapalapa Mxico, D.F. Gerente de producto: Francisco E. Vargas Reyes Supervisor de edicin: Felipe Hemndez Carrasco Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERA QUMICA Sexta edicin Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorizacin escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS 2002, respecto a la sexta edicin en espaol por McGRAW-HILLIINTERAMERlCANA EDITORES, S.A. de c.v. A Subsidiary ofThe McGraw-Hill Companies Cedro Nm. 512, Col. Atlampa Delegacin Cuauhtmoc 06450 Mxico, D.F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736 ISBN 970-10-3648-4 Translated from the sixth English edition of Unit Operations of Chemical Engineering By Warren L. McCabe, Julian C. Smith and Peter Harriott Copyright 2001, by The McGraw-Hill Companies, Inc. ISBN 0-07-039366-4 4567890123 09876532104 Impreso en Mxico Pr~nted in Mexico Esta Ol)ra Se termin de imprimir en el mes de Octubre Del 2005. en los talleres de: Litogrfica Ingramex, SA de C.V. Centeno 1621 Granjas Esmeralda C.P. 09810, Iztapalapa Mxico, D.F. http://gratislibrospdf.com/ 7. CONTENIDO Acerca de los autores XV Prefacio XVII SECCIN I Introduccin 1 1 Definicionesy principios Operaciones unitarias 4 Sistemas de unidades 4 Cantidades fsicas / Unidades SI/Unidades cgs / Constante de los gases / Unidades de inge- niera fps / Conversin de unidades / Unidades y ecuaciones Anlisis dimensional 17 Conceptos bsicos 21 Ecuaciones de estado de los gases Smbolos 25 Problemas 27 Referencias 29 3 SECCIN 11 Mecnica de fluidos 31 2 Esttica de fluidos y sus aplicaciones 33 Equilibrio hidrosttico 34 Aplicaciones de la esttica de fluidos 37 Smbolos 44 Problemas 45 Referencias 46 3 Fenmenosde flujo de fluidos 47 Flujo laminar, velocidad de corte y tensin de corte 48 Propiedades reolgicas de los fluidos 49 Turbulencia 55 CONTENIDO Acerca de los autores XV Prefacio XVII SECCIN I Introduccin 1 1 Definiciones y principios 3 Operaciones unitarias 4 Sistemas de unidades 4 Cantidades fsicas / Unidades SI/Unidades cgs / Constante de los gases / Unidades de inge- niera fps / Conversin de unidades / Unidades y ecuaciones Anlisis dimensional 17 Conceptos bsicos 21 Ecuaciones de estado de los gases Smbolos 25 Problemas 27 Referencias 29 SECCIN 11 Mecnica de fluidos 31 2 Esttica de fluidos y sus aplicaciones 33 Equilibrio hidrosttico 34 Aplicaciones de la esttica de fluidos 37 Smbolos 44 Problemas 45 Referencias 46 3 Fenmenos de flujo de fluidos 47 Flujo laminar, velocidad de corte y tensin de corte 48 Propiedades reolgicas de los fluidos 49 Turbulencia 55 http://gratislibrospdf.com/ 8. vi CONTENIDO Capas lmite Smbolos Problemas Referencias 63 68 69 70 4 Ecuaciones bsicas del flujo de fluidos 71 Balance de masa en un fluido en movimiento; continuidad Balance diferencial del momento; ecuaciones del movimiento Balances macroscpicos del momento 82 Ecuacin de la energa mecnica 87 Smbolos 97 Problemas 98 Referencias 99 71 77 5 Flujo de fluidos no compresibles en tuberas y canales de conduccin 101 Esfuerzo cortante (tensin de corte) y friccin de superficie en tuberas Flujo laminar en tuberas y canales 105 Flujo turbulento en tuberas y canales 111 Friccin debida a variaciones de velocidad o direccin 125 Smbolos 133 Problemas 134 Referencias 136 101 6 Flujo de fluidos compresibles 139 Definiciones y ecuaciones bsicas . 139 Procesos de flujo de fluidos compresibles 145 Flujo isentrpico a travs de boquillas 145 Flujo adiabtico con friccin 152 Flujo isotrmico con friccin 157 Smbolos 159 Problemas 161 Referencias 162 s 7 Flujo de fluidos alrededor de cuerpos sumergidos Rozamiento y coeficientes de rozamiento 163 Flujo a travs de lechos de slidos 171 Movimiento de partculas a travs de fluidos 176 Fluidizacin 186 163 vi CONTENIDO Capas lmite Smbolos Problemas Referencias 63 68 69 70 4 Ecuaciones bsicas del flujo de fluidos 71 Balance de masa en un fluido en movimiento; continuidad 71 Balance diferencial del momento; ecuaciones del movimiento 77 Balances macroscpicos del momento 82 Ecuacin de la energa mecnica 87 Smbolos 97 Problemas 98 Referencias 99 5 Flujo de fluidos no compresibles en tuberas y canales de conduccin 101 Esfuerzo cortante (tensin de corte) y friccin de superficie en tuberas 101 Flujo laminar en tuberas y canales 105 Flujo turbulento en tuberas y canales 111 F:iccin debida a variaciones de velocidad o direccin 125 Smbolos 133 Problemas 134 Referencias 136 6 Flujo de fluidos compresibles 139 Definiciones y ecuaciones bsicas . 139 Procesos de flujo de fluidos compresibles 145 Flujo isentrpico a travs de boquillas 145 Flujo adiabtico con friccin 152 Flujo isotrmico con friccin 157 Smbolos 159 Problemas 161 Referencias 162 7 Flujo de fluidos alrededor de cuerpos sumergidos 163 Rozamiento y coeficientes de rozamiento 163 Flujo a travs de lechos de slidos 171 Movimiento de partculas il travs de fluidos 176 Fluidizacin 186 http://gratislibrospdf.com/ 9. CONTENIDO vii Smbolos Problemas Referencias 198 200 202 8 Transportey medicinde fluidos 203 Tuberas, accesorios y vlvulas 203 Bombas 211 Bombas de desplazamiento positivo / Bombas centrifugas Ventiladores, sopladores y compresores 227 Comparacin de equipos para el movimiento de fluidos Medicin del flujo de fluidos 238 Medidores de perforacin total Smbolos 255 Problemas 256 Referencias 258 9 Agitaciny mezclade lquidos 259 Tanques agitados. 260 Mezcla y mezclado 282 Suspensin de partculas slidas 288 Operaciones de dispersin 294 Seleccin del agitador y escalamiento 303 Smbolos 306 Problemas 307 Referencias 309 SECCIN III Transferencia de calor y sus aplicaciones 311 10 Transferenciade calorpor conduccin 315 Ley bsica de conduccin 315 Conduccin en estado estacionario 317 Conduccin de calor en estado no estacionario 325 Smbolos 336 Problemas 337 Referencias 339 11 Fundamentosdel flujo de caloren fluidos 341 Equipo tpico para intercambio de calor 341 Balances de energa 344 CONTENIDO vii Smbolos 198 Problemas 200 Referencias 202 8 Transporte y medicin de fluidos 203 Tuberas, accesorios y vlvulas 203 Bombas 211 Bombas de desplazamiento positivo / Bombas centrifugas Ventiladores, sopladores y compresores 227 Comparacin de equipos para el movimiento de fluidos Medicin del flujo de fluidos 238 Medidores de perforacin total Smbolos 255 Problemas 256 Referencias 258 9 Agitacin y mezcla de lquidos 259 Tanques agitados. 260 Mezcla y mezclado 282 Suspensin de partculas slidas 288 Operaciones de dispersin 294 Seleccin del agitador y escalamiento 303 Smbolos 306 Problemas 307 Referencias 309 SECCIN 111 Transferencia de calor y sus aplicaciones 311 10 Transferencia de calor por conduccin 315 Ley bsica de conduccin 315 Conduccin en estado estacionario 317 Conduccin de calor en estado no estacionario 325 Smbolos 336 Problemas 337 Referencias 339 11 Fundamentos del flujo de calor en fluidos 341 Equipo tpico para intercambio de calor 341 Balances de energa 344 http://gratislibrospdf.com/ 10. viii CONTENIDO Coeficientes de transferencia de calor y flujo de calor 347 Coeficiente global de la transferencia de calor / Coeficientes individuales de transferencia de calor Smbolos 360 Problemas 361 Referencias 362 12 Transferenciade caloren fluidossin cambiode fase 363 Capas lmite 363 Transferencia de calor por conveccin forzada en flujo laminar 367 Transferencia de calor por conveccin forzada en flujo turbulento 374 Transferencia por remolinos turbulentos y analoga entre la transferencia de momento y de calor Transferencia de calor en la regin de transicin entre flujo laminar y turbulento 387 Transferencia de calor en metales lquidos 390 Calentamiento y enfriamiento de fluidos por conveccin forzada en tubos exteriores 391 Conveccin natural 395 Smbolos 401 Problemas 403 Referencias 406 s 13 Transferenciade caloren fluidoscon cambiode fase 407 Transferencia de calor desde vapores condensantes 407 Transferencia de calor a lquidos en ebullicin 420 Smbolos 433 Problemas 434 Referencias 436 14 Transferenciade calorpor radiacin 439 Emisin de radiacin 440 Absorcin de radiacin por slidos opacos 444 Radiacin entre superficies 447 Radiacin en materiales semitransparentes 457 Transferencia de calor combinada por conduccin-conveccin y radiacin 460 Smbolos 461 Problemas 463 Referencias 464 viii CONTENIDO Coeficientes de transferencia de calor y flujo de calor 347 Coeficiente global de la transferencia de calor / Coeficientes individuales de transferencia de calor Smbolos 360 Problemas 361 Referencias 362 12 Transferencia de calor en fluidos sin cambio de fase 363 Capas lmite 363 Transferencia de calor por conveccin forzada en flujo laminar 367 Transferencia de calor por conveccin forzada en flujo turbulento 374 Transferencia por remolinos turbulentos y analoga entre la transferencia de momento y de calor Transferencia de calor en la regin de transicin entre flujo laminar y turbulento 387 Transferencia de calor en metales lquidos 390 Calentamiento y enfriamiento de fluidos por conveccin forzada en tubos exteriores 391 Conveccin natural 395 Smbolos 40] Problemas 403 Referencias 406 13 Transferencia de calor en fluidos con cambio de fase 407 Transferencia de calor desde vapores condensantes 407 Transferencia de calor a lquidos en ebullicin 420 Smbolos 433 Problemas 434 Referencias 436 14 Transferencia de calor por radiacin 439 Emisin de radiacin 440 Absorcin de radiacin por slidos opacos 444 Radiacin entre superficies 447 Radiacin en materiales semitransparentes 457 Transferencia de calor combinada por conduccin-conveccin y radiacin 460 Smbolos 461 Problemas 463 Referencias 464 http://gratislibrospdf.com/ 11. CONTENIDO ix 15 Equipo para intercambio de calor Intercambiadores de calor de tubo y coraza Intercambiadores de tipo placa 481 Equipo con superficie ampliada 485 Intercambiadores de superficie escarpada Condensadores y vaporizadores 493 Transferencia de calor en tanques agitados Transferencia de calor en lechos empacados Smbolos 505 Problemas 507 Referencias 509 465 466 491 497 500 16 Evaporacin 511 Tipos de evaporadores 513 Funcionamiento de los evaporadores tubulares 518 Capacidad de un evaporador / Economa de un evaporador Recompresin del vapor 538 Smbolos 541 Problemas 541 Referencias 544 SECCIN IV Transferencia de masa y sus aplicaciones 545 17 Fundamentos de la difusin y de la transferencia de masa entre fases 551 Teora de la difusin 552 Prediccin de las difusividades 559 Teoras de transferencia de masa 564 Teora de pelcula / Teora de la capa lmite / Teora de penetracin / Teora de la doble pelcula Coeficientes de transferencia de materia 572 Medidas experimentales / Coeficientes para transferencia de materia a travs de reas conocidas o Smbolos Problemas Referencias 583 585 587 18 Absorcin de gases 589 Diseo de empaques y torres empacadas 589 Fundamentos de la absorcin 601 CONTENIDO 15 Equipo para intercambio de calor 465 Intercambiadores de calor de tubo y coraza 466 Intercambiadores de tipo placa 481 Equipo con superficie ampliada 485 Intercambiadores de superficie escarpada 491 Condensadores y vaporizadores 493 Transferencia de calor en tanques agitados 497 Transferencia de calor en lechos empacados 500 Smbolos 505 Problemas 507 Referencias 509 16 Evaporacin 511 Tipos de evaporadores 513 Funcionamiento de los evaporadores tubulares 518 Capacidad de un evaporador / Economa de un evaporador Recompresin del vapor 538 Smbolos 541 Problemas 541 Referencias 544 SECCIN IV Transferencia de masa y sus aplicaciones 545 17 Fundamentos de la difusin y de la transferencia de masa entre fases 551 Teora de la difusin 552 Prediccin de las difusividades 559 Teoras de transferencia de masa 564 Teora de pelcula / Teora de la capa lmite / Teora de penetracin / Teora de la doble pelcula Coeficientes de transferencia de materia 572 Medidas experimentales / Coeficientes para transferencia de materia a travs de reas conocidas Smbolos 583 Problemas 585 Referencias 587 18 Absorcin de gases 589 Diseo de empaques y torres empacadas 589 Fundamentos de la absorcin 601 ix /http://gratislibrospdf.com/ 12. CONTENIDO Absorcin desde gases enriquecidos Correlaciones de transferencia de masa 620 626 Absorcin en columnas de platos Absorcin con reaccin qumica 635 Smbolos 636 Problemas 639 Referencias 641 19 Operacionesde humidificacin 643 Definiciones 643 Grfica de humedad 648 Temperatura del bulbo hmedo 652 Torres de enfriamiento 657 Teora de las torres de enfriamiento a contracorriente Smbolos Problemas Referencias 667 669 670 20 Operacionesde equilibriode etapas 671 Equipo para etapas de contacto 671 Fundamentos de los procesos por etapas 675 Clculo de etapas de equilibrio para sistemas multicomponentes Smbolos 690 Problemas 690 Referencias 691 21 Destilacin 693 Destilacin flash 693 Destilacin continua con reflujo 697 Balances de materia en columnas de platos / Nmero de platos ideales; mtodo deMcCabe-Thiele Balances de entalpa 727 Diseo de columnas de platos perforados 735 Eficiencia de platos 746 Teora de eficiencia de platos Destilacin en columnas empacadas 756 Destilacin discontinua 758 Smbolos Problemas Referencias 762 765 770 CONTENIDO Absorcin desde gases enriquecidos 620 Correlaciones de transferencia de masa 626 Absorcin en columnas de platos Absorcin con reaccin qumica 635 Smbolos 636 Problemas 639 Referencias 641 19 Operaciones de humidificacin 643 Definiciones 643 Grfica de humedad 648 Temperatura del bulbo hmedo 652 Torres de enfriamiento 657 Teora de las torres de enfriamiento a contracorriente Smbolos 667 Problemas 669 Referencias 670 20 Operaciones de equilibrio de etapas 671 Equipo para etapas de contacto 671 Fundamentos de los procesos por etapas 675 Clculo de etapas de equilibrio para sistemas multicomponentes Smbolos 690 Problemas 690 Referencias 691 21 Destilacin 693 Destilacin flash 693 Destilacin continua con reflujo 697 Balances de materia en columnas de platos / Nmero de platos ideales; mtodo deMcCabe-Thiele Balances de entalpa 727 Diseo de columnas de platos perforados 735 Eficiencia de platos 746 Teora de eficiencia de platos Destilacin en columnas empacadas 756 Destilacin discontinua 758 Smbolos 762 Problemas 765 Referencias 770 http://gratislibrospdf.com/ 13. CONTENIDO xi 22 Introduccin a la destilacin multicomponente Equilibrios entre fases para la destilacin multicomponente Destilacin flash de mezclas multicomponentes 775 Fraccionamiento de mezclas multicomponentes 776 Destilacin azeotrpica y extractiva 794 Smbolos 795 Problemas 796 Referencias 797 771 771 23 Lixiviacin y extraccin 799 Lixiviacin 799 Equipo de lixiviacin / Fundamentos de lixiviacin continua en contracorriente Extraccin de lquidos 808 Equipo de-extraccin / Fundamentos de la extraccin Tcnicas especiales de extraccin 828 Extraccin con fluidos supercrticos Smbolos 830 Problemas 832 Referencias 834 24 Secado de slidos Fundamentos del secado 835 837 Equilibrio entre fases Secado con circulacin transversal 844 Secado con circulacin a travs del slido 853 Secado de partculas suspendidas Secado por congelacin 856 Equipo de secado 857 Secadores para slidos y pastas / Secadores para disoluciones y suspensiones / Seleccin de equipo de secado Smbolos 872 Problemas 873 Referencias 875 25 Separaciones en lechos fijos 877 Adsorcin 877 Equipo de adsorcin 878 Equilibrios; isotermas de adsorcin / Fundamentos de la adsorcin / Ecuaciones bsicas de adsorcin / Soluciones de las ecuaciones de transferencia de masa / Diseo de adsorbedores / Operacin continua CONTENIDO 22 Introduccin a la destilacin multicomponente 771 Equilibrios entre fases para la destilacin multicomponente 771 Destilacin flash de mezclas multicomponentes 775 Fraccionamiento de mezclas multicomponentes 776 Destilacin azeotrpica y extractiva 794 Smbolos 795 Problemas 796 Referencias 797 23 Lixiviacin y extraccin 799 Lixiviacin 799 Equipo de lixiviacin / Fundamentos de lixiviacin continua en contracorriente Extraccin de lquidos 808 Equipo de- extraccin / Fundamentos de la extraccin Tcnicas especiales de extraccin 828 Extraccin con fluidos supercrticos Smbolos 830 Problemas 832 Referencias 834 24 Secado de slidos 835 Fundamentos del secado 837 Equilibrio entre fases Secado con circulacin transversal 844 Secado con circulacin a travs del slido 853 Secado de partculas suspendidas Secado por congelacin 856 Equipo de secado 857 Secadores para slidos y pastas / Secadores para disoluciones y suspensiones / Seleccin de equipo de secado Smbolos 872 Problemas 873 Referencias 875 25 Separaciones en lechos fijos 877 Adsorcin 877 Equipo de adsorcin 878 xi Equilibrios; isotermas de adsorcin / Fundamentos de la adsorcin / Ecuaciones bsicas de adsorcin / Soluciones de las ecuaciones de transferencia de masa / Diseo de adsorbedores / Operacin continua http://gratislibrospdf.com/ 14. xii CONTENIDO Intercambio de iones 905 Equilibrios / Velocidades de transferencia de materia / Operacin de intercambiadores de iones Cromatografa 913 Smbolos 920 Abreviaturas 921 Problemas 922 Referencias 923 26 Procesosde separacinpormembrana 925 Separacin de .gases 925 Separacin de lquidos 948 Dilisis / Membranas para extraccin lquido-lquido / Pervaporacin / smosis inversa : Smbolos 967 Problemas 969 Referencias 970 27 Cristalizacin 973 Geometra de los cristales 974 Equilibrios y rendimientos 975 Nucleacin 983 Crecimiento de los cristales 990 Equipo de cristalizacin 994 Diseo de cristalizadores: distribucin del tamao del cristal 1000 Cristalizador MSMPR Cristalizacin a partir de la fase fundida 1010 Smbolos 1011 Problemas 1013 Referencias 1015 SECCIN V Operaciones en las que intervienen partculas de slidos 1017 28 Propiedadesy tratamientode partculasslidas 1019 Caracterizacin de partculas slidas 1019 Propiedades de masas de partculas 1026 Almacenamiento y transporte de slidos Mezclado de slidos 1029 Mezclado para slidos no cohesivos / Mezcladores para slidos cohesivos Reduccin del tamao 1041 xii CONTENIDO Intercambio de iones 905 Equilibrios / Velocidades de transferencia de materia / Operacin de intercambiadores de iones Cromatografa 913 Smbolos 920 Abreviaturas 921 Problemas 922 Referencias 923 26 Procesos de separacin por membrana 925 Separacin de.gases 925 Separacin de lquidos 948 Dilisis / Membranas para extraccin lquido-lquido / Pervaporacin / smosis inversa Smbolos 967 Problemas 969 Referencias 970 27 Cristalizacin 973 Geometra de los cristales 974 Equilibrios y rendimientos 975 Nucleacin 983 Crecimiento de los cristales 990 Equipo de cristalizacin 994 Diseo de cristalizadores: distribucin del tamao del cristal 1000 Cristalizador MSMPR Cristalizacin a partir de la fase fundida 1010 Smbolos 1011 Problemas Referencias 1013 1015 SECCIN V Operaciones en las que intervienen partculas de slidos 28 Propiedades y tratamiento de partculas slidas 1019 Caracterizacin de partculas slidas 1019 Propiedades de masas de partculas 1026 Almacenamiento y transporte de slidos Mezclado de slidos 1029 Mezclado para slidos no cohesivos / Mezcladores para slidos cohesivos Reduccin del tamao 1041 1017 http://gratislibrospdf.com/ 15. CONTENIDO xiii Simulacin computarizada para operaciones de molienda / Equipo para la reduccin de tamao Molinos de ultrafinos 1055 Smbolos 1060 Problemas 1061 Referencias 1062 , 29 Separacionesmecnicas Tamizado 1065 Equipo de tamizado Filtracin: consideraciones generales 1070 Filtros de torta 1072 1065 Filtracin centrfuga / Medios filtrantes / Coadyuvantes de filtracin / Fundamentos de la filtracin en torta Filtros clarificadores 1099 Clarificacin de lquidos / Limpieza de gases / Fundamentos de la clarificacin Filtracin con flujo transversal: filtros de membrana 1103 Tipos de membranas / Flujo permeado por ultrafiltracin / Polarizacin de la concentracin / Microfiltracin Procesos de sedimentacin por gravedad Procesos de sedimentacin centrfuga Smbolos 1141 Problemas 1144 Referencias 1147 Apndice 1 Apndice 2 Apndice 3 Apndice 4 Apndice 5 Apndice 6 Apndice 7 Apndice 8 Apndice 9 Apndice 10 Apndice 11 Apndice 12 1117 1129 Factores de conversin y constantes universales 1149 Grupos adimensionales 1152 Dimensiones, capacidades y pesos de tuberas estndar de acero 1154 Datos sobre tubos de condensadores e intercambiadores de calor 1155 Escala de tamices estndar Tyler 1156 Propiedades del agua lquida 1157 Propiedades del vapor saturado y del agua 1158 Viscosidades de gases 1160 Viscosidades de lquidos 1162 Conductividades trmicas de metales 1165 Conductividades trmicas de varios slidos y materiales aislados 1166 Conductividades trmicas de gases y vapores 1168 CONTENIDO Simulacin computarizada para operaciones de molienda / Equipo para la reduccin de tamao Molinos de ultrafinos 1055 Smbolos 1060 Problemas Referencias , 1061 1062 29 Separaciones mecnicas Tamizado 1065 Equipo de tamizado 1065 Filtracin: consideraciones generales 1070 Filtros de torta 1072 Filtracin centrfuga / Medios filtrantes / Coadyuvantes de filtracin / Fundamentos de la filtracin en torta Filtros clarificadores 1099 Clarificacin de lquidos / Limpieza de gases / Fundamentos de la clarificacin Filtracin con flujo transversal: filtros de membrana 1103 xiii Tipos de membranas / Flujo permeado por ultrafiltracin / Polarizacin de la concentracin / Microfiltracin Procesos de sedimentacin por gravedad 1117 Procesos de sedimentacin centrfuga 1129 Smbolos 1141 Problemas Referencias Apndice 1 Apndice 2 Apndice 3 Apndice 4 Apndice 5 Apndice 6 Apndice 7 Apndice 8 Apndice 9 Apndice 10 Apndice 11 1144 1147 Factores de conversin y constantes universales 1149 Grupos adimensionales 1152 Dimensiones, capacidades y pesos de tuberas estndar de acero 1154 Datos sobre tubos de condensadores e intercambiadores de calor 1155 Escala de tamices estndar Tyler 1156 Propiedades del agua lquida 1157 Propiedades del vapor saturado y del agua 1158 Viscosidades de gases 1160 Viscosidades de lquidos 1162 Conductividades trmicas de metales 1165 Conductividades trmicas de varios slidos y materiales aislados 1166 Apndice 12 Conductividades trmicas de gases y vapores 1168 http://gratislibrospdf.com/ 16. xiv CONTENIDO Apndice 13 Apndice 14 Apndice 15 Apndice 16 Apndice 17 Apndice 18 Conductividades trmicas de lquidos distintos al agua 1169 Calores especficos de gases 1170 Calores especficos de lquidos 1171 Nmeros de Prandtl para gases a 1 atm y 100C 1172 Nmeros de Prandtl para lquidos 1173 Difusividades y nmeros de Schmidt para gases en aire a OC y 1 atm 1174 Integral de colisin y constantes de fuerza de Lennard-Jones 1175Apndice 19 ndice 1177 xiv CONTENIDO Apndice 13 Conductividades trmicas de lquidos distintos al agua 1169 Apndice 14 Calores especficos de gases 1170 Apndice 15 Calores especficos de lquidos 1171 Apndice 16 Nmeros de Prandtl para gases a 1 atm y 100C 1172 Apndice 17 Nmeros de Prandtl para lquidos 1173 Apndice 18 Difusividades y nmeros de Schmidt para gases en aire a OC y 1 atm 1174 Apndice 19 Integral de colisin y constantes de fuerza de Lennard-Jones 1175 ndice 1177 http://gratislibrospdf.com/ 17. ACERCA DE LOS AUTORES JULIA N C. SMITH (Bioqumico, ingeniero qumico, Cornell University) es Profesor Emrito de Ingeniera Qumica en Cornell University, institucin a cuyo cuerpo docen- te se integr en 1946. Fue Director de Educacin Continua en Ingeniera en Cornell de 1965 a 1971 y Director de la Escuela de Ingeniera Qumica de 1975 a 1983. Se retir de la docencia activa en 1986. Antes de incorporarse a la facultad en Cornell, trabaj como ingeniero qumico en EJ. duPont de Nemours and Co. Ha trabajado como asesor sobre desarrollo de procesos para Du Pont, American Cyanamid y muchas otras compa- as, as como para agencias gubernamentales. Es miembro de la American Chemical Society y del American Institute of Chemical Engineers. PETER HARRIOTT (Ingeniero bioqumico, Cornell University, doctor en ciencias, Massachusetts Institute of Technology) ocupa la ctedra Fred H. Rhodes en Cornell University. Antes de integrarse a la facultad de Cornell en 1953, trabaj como ingeniero qumico en EJ. duPont de Nemours and Co. y en General Electric Co. En 1966 obtuvo la beca NSF Senior Postdoctoral Fellowship para estudiar el postdoctorado en el Insti- tuto para Catlisis en Lyon, Francia; en 1988 obtuvo la beca DOE para trabajar en el Pittsburgh Energy Technology Center. El profesor Harriott es autor de Process Control y es miembro de la American Chemical Society y del American Institute of Chemical Engineers. Ha trabajado como asesor sobre problemas de transferencia de masa, diseo de reactores y control de la contaminacin del aire para el Departamento de Energa de Estados Unidos, as como para diversas empresas. ACERCA DE LOS AUTORES JULIAN C. SMITH (Bioqumico, ingeniero qumico, Cornell University) es Profesor Emrito de Ingeniera Qumica en Cornell University, institucin a cuyo cuerpo docen- te se integr en 1946. Fue Director de Educacin Continua en Ingeniera en Cornell de 1965 a 1971 y Director de la Escuela de Ingeniera Qumica de 1975 a 1983. Se retir de la docencia activa en 1986. Antes de incorporarse a la facultad en Cornell, trabaj como ingeniero qumico en EJ. duPont de Nemours and Co. Ha trabajado como asesor sobre desarrollo de procesos para Du Pont, American Cyanamid y muchas otras compa- as, as como para agencias gubernamentales. Es miembro de la American Chemical Society y del American Institute of Chemical Engineers. PETER HARRIOTT (Ingeniero bioqumico, Cornell University, doctor en ciencias, Massachusetts Institute of Technology) ocupa la ctedra Fred H. Rhodes en Cornell University. Antes de integrarse a la facultad de Cornell en 1953, trabaj como ingeniero qumico en EJ. duPont de Nemours and Co. y en General Electric Co. En 1966 obtuvo la beca NSF Senior Postdoctoral Fellowship para estudiar el postdoctorado en el Insti- tuto para Catlisis en Lyon, Francia; en 1988 obtuvo la beca DOE para trabajar en el Pittsburgh Energy Technology Center. El profesor Harriott es autor de Process Control y es miembro de la American Chemical Society y del American Institute of Chemical Engineers. Ha trabajado como asesor sobre problemas de transferencia de masa, diseo de reactores y control de la contaminacin del aire para el Departamento de Energa de Estados Unidos, as como para diversas empresas. http://gratislibrospdf.com/ 18. http://gratislibrospdf.com/ 19. PREFACIO La sexta edicin del libro sobre operaciones unitarias de ingeniera qumica ha sido extensamente revisada y actualizada; incluye mucho material nuevo y algunas seccio- nes se han condensado en forma considerable. Sin embargo, su estructura bsica y el nivel general de tratamiento permanecen inalterables. Es un texto introductorio, escrito para estudiantes universitarios de los niveles iniciales y avanzados que han.S?IPl?letado los cursos de matemticas, fsica, qumica y la introduccin a la ingeniera qumica. Se supone que el estudiante tiene ya un conocimiento elemental de balances de materia y energa, as como de los principios de termodinmica. Captulos separados estn dedicados a cada una de las principales operaciones uni- tarias, y se han agrupado en cuatro secciones: mecnica de fluidos, transferencia de calor, transferencia de masa y estados de equilibrio, y operaciones con partculas de slidos. Los cursos semestrales o trimestrales se basan en cualquiera de estas secciones o en combinaciones de ellas. El orden de los primeros 16 captulos no ha cambiado; los posteriores, que tienen que ver con transferencia de masa y operaciones que involucran slidos, se han readaptado en un orden ms lgico. Casi todas las ecuaciones se han escrito en unidades SI y se ha eliminado el factor de conversin gc de la ley de Newton excepto en las contadas ocasiones en que debe incluirse. Los smbolos para los grupos adimensionales se han cambiado de Re por NRe. Pr por Npr Y as sucesivamente. Se han agregado muchos ejemplos y problemas nuevos, algunos de los cuales reflejan la importancia de los procesos de ingeniera bioqumica. El material referente a tratamiento, mezclado y molienda de partculas de slidos se ha condensado y conjuntado en un solo captulo. El nmero de apndices se ha reducido de 22 a 19. Se han agregado las derivaciones de las ecuaciones diferenciales para continuidad y balances de cantidad de movimiento que conducen a la ecuacin de Navier-Stokes, al igual que las formas diferenciales de las leyes de Fourier y Fick, poniendo nfasis en las analogas entre la transferencia de cantidad de movimiento, calor y masa. El captulo sobre adsorcin se ha extendido para incluir nuevo material sobre cromatografa e in- tercambio inico, y se ha renombrado como "Separaciones en lechos fijos". Se incluye tambin nuevo material sobre fluidos viscoelsticos, flujo laminar en espacios anula- res, coeficientes de arrastre, leyes de afinidad para bombas, agitadores de alta eficien- cia y mezcladores sin movimiento, intercambiadores de calor de tipo placa, ebullicin mediante haces de rubos sumergidos, torres de enfriamiento, extraccin en fase acuosa, filtracin en flujo transversal y muchos otros temas. Muchos de los problemas al final de los captulos son nuevos o se han revisado. La mayora de ellos estn en unidades SI. Casi todos los problemas se resuelven con la ayuda de una calculadora de bolsillo; para algunos otros, es preferible emplear compu- tadora. ,I 1 PREFACIO La sexta edicin del libro sobre operaciones unitarias de ingeniera qumica ha sido extensamente revisada y actualizada; incluye mucho material nuevo y algunas seccio- nes se han condensado en forma considerable. Sin embargo, su estructura bsica y el nivel general de tratamiento permanecen inalterables. Es un texto introductorio, escrito para estudiantes universitarios de los niveles iniciales y avanzados que han.S?IPl?letado los cursos de matemticas, fsica, qumica y la introduccin a la ingeniera qumica. Se supone que el estudiante tiene ya un conocimiento elemental de balances de materia y energa, as como de los principios de termodinmica. Captulos separados estn dedicados a cada una de las principales operaciones uni- tarias, y se han agrupado en cuatro secciones: mecnica de fluidos, transferencia de calor, transferencia de masa y estados de equilibrio, y operaciones con partculas de slidos. Los cursos semestrales o trimestrales se basan en cualquiera de estas secciones o en combinaciones de ellas. El orden de los primeros 16 captulos no ha cambiado; los posteriores, que tienen que ver con transferencia de masa y operaciones que involucran slidos, se han readaptado en un orden ms lgico. Casi todas las ecuaciones se han escrito en unidades SI y se ha eliminado el factor de conversin gc de la ley de Newton excepto en las contadas ocasiones en que debe incluirse. Los smbolos para los grupos adimensionales se han cambiado de Re por NRe. Pr por Npr Yas sucesivamente. Se han agregado muchos ejemplos y problemas nuevos, algunos de los cuales reflejan la importancia de los procesos de ingeniera bioqumica. El material referente a tratamiento, mezclado y molienda de partculas de slidos se ha condensado y conjuntado en un solo captulo. El nmero de apndices se ha reducido de 22 a 19. Se han agregado las derivaciones de las ecuaciones diferenciales para continuidad y balances de cantidad de movimiento que conducen a la ecuacin de Navier-Stokes, al igual que las formas diferenciales de las leyes de Fourier y Fick, poniendo nfasis en las analogas entre la transferencia de cantidad de movimiento, calor y masa. El captulo sobre adsorcin se ha extendido para incluir nuevo material sobre cromatografa e in- tercambio inico, y se ha renombrado como "Separaciones en lechos fijos". Se incluye tambin nuevo material sobre fluidos viscoelsticos, flujo laminar en espacios anula- res, coeficientes de arrastre, leyes de afinidad para bombas, agitadores de alta eficien- cia y mezcladores sin movimiento, intercambiadores de calor de tipo placa, ebullicin mediante haces de t'lbos sumergidos, torres de enfriamiento, extraccin en fase acuosa, filtracin en flujo transversal y muchos otros temas. Muchos de los problemas al final de los captulos son nuevos o se han revisado. La mayora de ellos estn en unidades SI. Casi todos los problemas se resuelven con la ayuda de una calculadora de bolsillo; para algunos otros, es preferible emplear compu- tadora. http://gratislibrospdf.com/ 20. xviii PREFACIO McGraw-Hill y los autores agradecen al doctor N. T. Obot por sus mltiples suge- rencias en torno a mecnica de fluidos y transferencia de calor, as como al profesor Charles H. Gooding de la Clemson University por su revisin detallada y cuidadosa del manuscrito. SEC JULlAN C. SMITH PETER HARRIOTT In xviii PREFACIO McGraw-Hill y los autores agradecen al doctor N. T. Obot por sus mltiples suge- rencias en torno a mecnica de fluidos y transferencia de calor, as como al profesor Charles H. Gooding de la Clemson University por su revisin detallada y cidadosa del manuscrito. JULlAN C. SMITH PETER HARRIOTT http://gratislibrospdf.com/ 21. e- or el SECCiN I H TI Introduccin SECCiN I Introduccin http://gratislibrospdf.com/ 22. CAP De La inge transfor disear utiliza; cia, seg exigido niero ut la mayc ta, y ent de un ir cin pai La ros qur nieros q para pn la indus cos mOI sobre te comple del Nat Ac prcticc ea bajo trarios. operaci , Los numerad, http://gratislibrospdf.com/ 23. ; CAPITULO 1 Definiciones y principios La ingeniera qumica trata de procesos industriales en los que las materias primas se transforman o separan en productos tiles. El ingeniero qumico tiene que desarrollar, disear y se encarga de la ingeniera del proceso completo, as como del equipo que se utiliza; selecciona las materias primas adecuadas; hace operar las plantas con eficien- cia, seguridad y economa; y supervisa que los productos cumplan los requerimientos exigidos por los consumidores. La ingeniera qumica es un arte y una ciencia. El inge- niero utilizar la ciencia siempre que le permita resolver un problema. Sin embargo, en la mayora de los casos, la ciencia no es capaz de proporcionarle una solucin comple- ta, y entonces tendr que recurrir a su experiencia y criterio. La capacidad profesional de un ingeniero depende de su habilidad para combinar todas las fuentes de informa- cin para alcanzar soluciones prcticas a los problemas que se le presentan. La variedad de procesos e industrias que requieren de los servicios de los ingenie- ros qumicos es enorme. Los productos que conciernen al radio de accin de los inge- nieros qumicos a partir de sustancias qumicas, tales como el cido sulfrico y el cloro para producir artculos de alta tecnologa como soportes litogrficos polimricos para la industria electrnica, materiales compuestos de alta resistencia y agentes bioqumi- cos modificados genticamente. Los procesos descritos en los tratados ms conocidos sobre tecnologa qumica y las industrias de procesos, permiten tener una idea bastante completa del campo que abarca la ingeniera qumica. Un ejemplo es el reporte de 1988 del National Research Council acerca de la profesin. J. 8., A causa de la variedad y complejidad de los procesos modernos, este texto no es prctico para cubrir todos los temas que comprenden la asignatura de ingeniera qumi- ca bajo una sola denominacin. El campo se divide en sectores convenientes, pero arbi- trarios. Este libro abarca la parte de ingeniera qumica que se conoce con el nombre de operaciones unitarias. 'Los superndices numricos que aparecen en el texto corresponden a las referencias bibliogrficas numeradas al final de cada captulo. ; CAPITULO 1 Definiciones y principios La ingeniera qumica trata de procesos industriales en los que las materias primas se transforman o separan en productos tiles. El ingeniero qumico tiene que desarrollar, disear y se encarga de la ingeniera del proceso completo, as como del equipo que se utiliza; selecciona las materias primas adecuadas; hace operar las plantas con eficien- cia, seguridad y economa; y supervisa que los productos cumplan los requerimientos exigidos por los consumidores. La ingeniera qumica es un arte y una ciencia. El inge- niero utilizar la ciencia siempre que le permita resolver un problema. Sin embargo, en la mayora de los casos, la ciencia no es capaz de proporcionarle una solucin comple- ta, y entonces tendr que recurrir a su experiencia y criterio. La capacidad profesional de un ingeniero depende de su habilidad para combinar todas las fuentes de informa- cin para alcanzar soluciones prcticas a los problemas que se le presentan. La variedad de procesos e industrias que requieren de los servicios de los ingenie- ros qumicos es enorme. Los productos que conciernen al radio de accin de los inge- nieros qumicos a partir de sustancias qumicas, tales como el cido sulfrico y el cloro para producir artculos de alta tecnologa como soportes litogrficos polimricos para la industria electrnica, materiales compuest