procesos de transporte y principios de procesos de separación 4th geankoplis
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(incluye operaciones unitarias) l ·
de calor y de masa
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e L A S I F I e h e I ON: TP 156.T7 G7 2006
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PROCESbs DE TRANSPORTE Y PRINCIPIOS ,
DE PROCESOS DE SEPARACION (INCLUYE OPERACIONES UNITARIAS)
Christie John Geankoplis University of Minnesota
COMPAÑÍA EDITORIAL CONTINENTAL
correo : Renacimiento 180, Col. San Juan Tlihuaca, Azcapotzalco, 02400, México, D.F.
fax pedidos: (01 55) 5561 4063' 5561 5231
e-mail: info@patriacu ltural.com.mx
home page: www.patriacultural.com.mx
Título original de la obra: Transport Processes and Separation Process Principies (Includes Unit Operations) / Christie John Geankoplis, fourth edition ISBN: 0-13- 10l367-X Copyright © 2003, by Pearson Education, Inc. All Rights Reserved
Dirección editorial: Javier Enrique Callejas Coordinación editorial: Estela Delfín Ramírez Diseño de interiores: Jorge Manzano Olmos/Guillermo Rodríguez Luna Diseño de portada: Perla Alejandra López Romo
Traducción Ma. Teresa Aguilar Ortega Lic. en Química Facultad de Química, UNAM
Revisión técnica Dra. Ma. Teresa Colli Serrano Profesora e Investigadora de la Escuela Superior de Ingeniería Química Industrial e Industrias Extractivas del Instituto Politécnico Nacional de México
Procesos de transporte y principios de procesos de separación (incluye operaciones unitarias) Derechos reservados respecto a la cuarta edición en español: © 1982, 1995, 1998,2006, Christie John Geankoplis © 1985, 1993, 1998, COMPAÑÍA EDITORIAL CONTINENTAL, SA DE c.v. © 2006, GRUPO PATRIA CULTURAL, SA DE C.v. bajo el sello de Compañía Editorial Continental Renacimiento 180, Colonia San Juan Tlihuaca, Delegación AzcapotzaJco, Código Postal 02400, México, D.F.
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Registro núm. 43
ISBN 970-24-0856-3 cuarta edición (ISBN 968-26-13 16-7 tercera edición) (ISBN 968-26- I 368-3 segunda edición) (ISBN 968-26-0300-5 primera edición)
Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presente obra en cualesquiera formas , sean electrónicas o mecánicas, sin el con sentimiento previo y por escrito del editor.
Impreso en México Printed in Mexico
Primera edición: 1982 Segunda edición: 1995 Tercera edición: 1998 Cuarta edición: 2006
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Contenido
Prefacio
PARTE 1 PROCESO DE TRANSPORTE: DE MOMENTO, DE CALOR Y DE MASA
Capítulo 1 Introducción a los principios de ingeniería y sus unidades
1.1 Clasificación de los procesos de transporte y procesos de separación (operaciones unitarias) 1.2 El sistema (SI) de unidades fundamentales usado en este texto y otros sistemas de unidades 1.3 Métodos para expresar temperaturas y composiciones 1.4 Leyes de los gasys y presión de vapor 1.5 Conservación de la masa y balances de materia 1.6 Unidades de energía y calor 1.7 Conservación de energía y balances de calor 1.8 Métodos numéricos para integración
Capítulo 2 Principios de transferencia de momento lineal y balances globales
2.1 Introducción 2.2 Estática de fluidos 2.3 Ecuación general de transporte molecular para transferencia de movimiento lineal,
calor y masa 2.4 Viscosidad de los fluidos 2.5 Tipos de flujo de fluidos y el número de Reynolds 2.6 Balance total de masa y ecuación de continuidad 2.7 Balance global de energía 2.8 Balance general de momerito lineal 2.9 Balance de momento lineal en el recinto y perfil de velocidades en flujo laminar
2.10 Ecuaciones de diseño para flujos laminar y turbulento en tuberías 2.11 Flujo compresible de gases
Capítulo 3 Principios de la transferencia de momento lineal y aplicaciones
3.1 Flujo alrededor de objetos inmersos y lechos empacados y fluidizados 3.2 Medición del flujo de fluidos ' 3.3 Bombas y equipo para manejar gases 3.4 Agitación y mezclado de fluidos y necesidades de potencia 3.5 Fluidos no newtonianos 3.6 Ecuaciones diferenciales de continuidad
xiii
3
108
125
~
-- Procesos de transporte y principios de procesos de separación
3.7 Ecuación diferencial de transferencia de momento lineal o de movimiento 3.8 Uso de las ecuaciones diferenciales de movimiento y continuidad 3.9 Otros métodos para la resolución de ecuaciones diferenciales de movimiento
3.10 Flujo de capa límite y turbulencia 3.11 Análisis dimensional de la transferencia de momento lineal
Capítulo 4 Principios de la transferencia de calor en estado estacionario
194 200 209 216 228
243
4.1 Introducción y mecanismos de la transferencia de calor 243 4.2 Transferencia de calor por conducción 249 4.3 Conducción a través de sólidos en serie 252 4.4 Conducción en estado estacionario y factores de forma 264 4.5 Transferencia de calor por convección forzada dentro de tuberías 266 4.6 Transferencia de calor por convección forzada en el exterior de diferentes geometrías 279 4.7 Transferencia de calor en convección natural 285 4.8 Ebullición y condensación 292 4.9 Intercambiadores de calor 300
4.10 Introducción a la transferencia de calor por radiación 309 ~U1 Principios avanzados de transferertcia de calor por radiación 315 4.12 Transferencia de calor en fluidos no newtonianos 332 4.13 Casos especiales de coeficientes de transferencia de calor 335 4.14 Análisis dimensional en la transferencia de calor 343 4.15 Métodos numéricos para la conducción en estado estacionario en dos dimensiones 346
Capítulo 5 Principios de la transferencia de calor en estado no estacionario
5.1 Deducción de la ecuación básica 5.2 Caso simplificado de sistemas con resistencia interna despreciable 5.3 Conducción del calor en estado no estacionario en diversas geometrías 5.4 Métodos numéricos de diferencia finita para conducción en estado no estacionario 5.5 Enfriamiento y congelación de alimentos y materiales biológicos 5.6 Ecuación diferencial de cambio de energía 5.7 Flujo de capa límite y turbulencia en la transferencia de calor
Capítulo 6 Principios de transferencia de masa
6.1 Introducción a la transferencia de masa y difusión 6.2 Difusión molecular en gases 6.3 Difusión molecular en líquidos 6.4 Difusión molecular en soluciones y geles biológicos 6.5 Difusión molecular en sólidos 6.6 Métodos numélicos para la difusión molecular en
estado estacionario en dos dimensiones
Capítulo 7 Principios de transferencia de masa convectiva en estado no estacionario
7.1 Difusión en estado no estacionario 7.2 Coeficientes de transferencia convectiva de masa 7.3 Coeficientes de transferencia de masa para diversas geometrías 7.4 Transferencia de masa a suspensiones de partículas pequeñas 7.5 Difusión molecular más convección y reacción química
367
423
459
473
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Contenido
7.6 Difusión de gases en sólidos porosos y capilares 7.7 Métodos numéricos para difusión molecular en estado no estacionario 7.8 Análisis dimensional en la transferencia de masa 7.9 Flujo de capa límite y turbulencia en la transferencia de masa
PARTE 2 PRINCIPIOS DE PROCESOS DE SEPARACIÓN (INCLUYE OPERACIONES UNITARIAS)
Capítulo 8 Evaporación
/ ,
8.1 Introducción 8.2 Tipos de equipos de evaporación y métodos de operación 8.3 Coeficientes totales de transferencia de calor en evaporadores 8.4 Métodos de cálculo para evaporadores de un solo efecto 8.5 Métodos de cálculo para evaporadores de efecto múltiple 8.6 Condensadores para evaporadores 8.7 Evaporación de materiales biológicos 8.8 Evaporación mediante recompresión de vapor
Capítulo 9 Secado de materiales de proceso
\~
9.1 Introducción y métodos de secado 9.2 Equipo para secado 9.3 Presión de vapor del agua y humedad 9.4 Contenido de humedad de equilibrio de los materiales 9.5 Curvas de velocidad de secado 9.6 Métodos para calcular el periodo de secado de velocidad constante 9.7 Métodos para calcular el periodo de secado de velocidad decreciente 9.8 Transferencia de calor por combinación de convección, radiación y conducción
durante el periodo de velocidad constante 9.9 Secado por difusión y flujo capilar durante el periodo de velocidad decreciente
9.10 Ecuaciones para diversos tipos de secadores 9.11 Liofilización de materiales biológicos por congelación 9.12 Procesamiento térmico en estado no estacionario y esterilización de materiales biológicos
Capítulo 10 Procesos de separación gas-fluido por etapas y continuos
10.1 Tipos de procesos y métodos de separación 10.2 Relaciones de equilibrio entre fases 10.3 Contacto de equilibrio en una y en múltiples etapas 10.4 Transferencia de masa entre fases 10.5 Procesos continuos de humidificación 10.6 Absorción en torres empacadas y de platos 10.7 Absorción de mezclas concentradas en torres empacadas 10.8 Estimación de los coeficientes de transferencia de masa para torres empacadas
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573 j
601 605 610 621 625
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Capítulo 11 Proceso de separación vapor-líquido
11.1 Relaciones de equilibrio vapor-líquido 11.2 Contacto de equilibrio de una sola etapa para un sistema vapor-líquido 11.3 Métodos simples de destilación 11.4 Destilación con reflujo y el método de McCabe-Thiele 11.5 Eficiencias de destilación y absorción para platos y tones empacadas 11.6 Destilación fraccionada usando el método de entalpía-concentración 11.7 Destilación de mezclas de multicomponentes
Capítulo 12 Proceso de separación vapor-líquido y sólido-líquido
12.1 Introducción a los procesos de adsorción 12.2 Adsorción por lotes 12.3 Diseño de columnas de adsorción de lecho fijo 12.4 Procesos de intercambio de iones 12.5 Procesos de extracción líquido-líquido en una sola etapa 12.6 Tipos de equipo y diseño para extracción líquido-líquido 12.7 Extracción continua a contraconiente en etapas múltiples 12.8 Introducción y equipo para lixiviación líquido-sólido 12.9 Relaciones de equilibrio y lixiviación en una sola etapa
12.10 Lixiviación a contraconiente en etapas múltiples 12.11 Introducción y equipo para cristalización 12.12 Teoría de la cristalización
Capítulo 13 Procesos de separación a través de una membrana
13.1 Introducción y tipos de procesos de separación a través de las membranas 13.2 Procesos de membrana de permeación de líquidos o diálisis 13.3 Procesos a través de una membrana para permeación de gases 13.4 Modelo de mezcla completa para la separación de gases por medio de membranas 13.5 Modelo de mezcla completa para mezclas de multicomponentes 13.6 Modelo de flujo cruzado para la separación de gases por membranas 13.7 Derivación de ecuaciones para flujo a contraconiente y en paralelo para separación
de gases en membranas 13.8 Derivación del método numérico de diferencias finitas para membranas asimétricas 13.9 Procesos a través de una membrana de ósmosis inversa
13.10 Aplicaciones, equipo y modelos para ósmosis inversa 13.11 Procesos a través de una membrana de ultrafiltración 13.12 Procesos de membrana de microfiltración
Capítulo 14 Procesos de separación físico-mecánicos
14.1 Introducción y clasificación de los procesos de separación fisico-mecánicos 14.2 Filtración en la separación sólido-líquido 14.3 Precipitación y sedimentación en la separación particular-fluido 14.4 Procesos de separación por centrifugación 14.5 Reducción mecánica de tamaño
711
773
773 776 777 783 789 794 802 813 819 822 826 832
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APÉNDICES
Apéndice A.l Constantes fundamentales y factores de conversión Apéndice A.2 Propiedades físicas del agua Apéndice A.3 Propiedades físicas de compuestos inorgánicos y orgánicos Apéndice A.4 Propiedades físicas de materiales alimenticios y biológicos Apéndice A.S Propiedades de tuberías, duetos y tamices
Notación
Índice
Contenido
1011
1021
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Prefacio
En esta cuarta edición, los objetivos principales y el formato de las ediciones anteriores no han variado. Las secciones sobre transferencia de momento lineal se han ampliado en gran medida, sobre todo las que se re fieren a las ecuaciones diferenciales de la transferencia de momento lineal. Esto permite ahora cubrir por com pleto los procesos de transferencia de momento lineal, de calor y de masa. Por otra parte, a las secciones de operaciones unitarias se les agregó una sección sobre adsorción y un capítulo ampliado sobre los procesos a través de membrana.
En los últimos años, el campo de la ingeniería química relacionado con los cambios físicos y fisicoquí micos de materiales orgánicos e inorgánicos y, hasta cierto punto también, de los materiales biológicos, se ha ido mezclando con otras áreas de la ingeniería de procesos. Entre éstas están la ingeniería sanitaria o de tra tamiento de aguas de desperdicio (ingeniería civil) y la bioingeniería. Todos estos campos utilizan los princi pios de momento lineal, transporte de masas y de calor, y operaciones unitarias en sus procesos.
Tradicionalmente, la mayoría de los ingenieros toman cursos en los que estudian la transferencia de mo mento lineal o el flujo de fluidos y la transferencia de calor. El estudio de la transferencia de masas se ha li mitado casi siempre a los ingenieros químicos. Sin embargo, recientemente se ha visto que los ingenieros de otras especialidades tienen interés en la transferencia de masas de gases, líquidos y sólidos.
Puesto que el ingeniero químico de la actualidad debe estudiar muchos temas, resulta necesario propor cionar una introducción más unificada a los procesos de transporte de momento lineal (dinámica de fluidos), calor y transferencia de masas, y a las aplicaciones de operaciones unitarias. En este texto, se estudian prime ro los principios de los procesos de transferencia o transporte, para pasar después a las operaciones unitarias. Para lograr esto, el libro se divide en dos partes principales.
PARTE 1: Procesos de transporte: de momento, de calor y de masa
Esta parte, en la cual se estudian los principios fundamentales, contiene los siguientes capítulos: 1. Introduc ción a los principios de ingeniería y sus unidades; 2. Principios de transferencia de momento lineal y balan ces globales; 3. Principios de la transferencia de momento lineal y aplicaciones; 4. Principios de la transferencia de calor en estado estacionario; 5. Principios de transferencia de calor estado no estacionario; 6. Principios de la transferencia de masa; 7. Principios de la transferencia, de masa convectiva y en estado no estacionario.
PARTE 2: Principios de procesos de separación (incluye operaciones unitarias)
En esta parte, dedicada a las aplicaciones, se cubren las siguientes operaciones unitarias: 8. Evaporación; 9. Secado de materiales de proceso; 10. Procesos de separación gas-fluido por etapas y continuos; 11. Procesos de separación vapor-líquido; 12. Procesos de separación vapor-líquido y sólido-líquido; 13. Procesos de se paración a través de una membrana; 14. Procesos de separación físico-mecánico.
En el capítulo 1 se repasan algunos principios elementales de ingeniería, métodos gráficos y matemáti cos, leyes de física y química, balances de materia y balances de calor. Muchos estudiantes, en especial los de ingeniería química, ya están familiarizados con la mayoría de estos principios y pueden omitir algunas par tes del capítulo o su totalidad.
Algunos temas relacionados con los procesos de materiales biológicos, pueden omitirse a discreción del estudiante o del profesor; por ejemplo, las secciones 5.5, 6.4, 8.7,9.11 y 9.12. El texto incluye más de 240 problemas de ejemplos y más de 550 problemas para ser resueltos por el estudiante. Algunos de estos últimos de estudio se relacionan con sistemas biológicos y fueron incluidos para los lectores especialmente interesa dos en esta área.
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Procesos de transporte y principios de procesos de separación
Una de las características específicas de este libro es la división de cada capítulo en secciones elementales y secciones de temas selectos. En las secciones elementales (que aparecen al principio de cada capítulo) se estudian los principios fundamentales necesarios para una comprensión adecuada de los temas . Después, y dependiendo de las necesidades del lector o el profesor, pueden estudiarse diversos temas sefectos. Por ejemplo, en el capítu- ?
lo 2, las secciones 2.1 a 2.5 cubren los principios básicos y las secciones 2.6 a 2.13, identificadas como temas se- ¡
lectos, abarcan temas especializados o estudios avanzados de los principios básicos. Un caso típico son las secciones 2.6 (tema selecto) "Flujo compresible de gases" y la 2.10 (tema selecto) "Fluidos no newtonianos", que por lo general se omiten en el estudio elemental de los principios básicos. La totalidad del texto se basa en este tipo de distribución de los temas de estudio.
Este libro puede usarse para un curso formal, recomendándose entonces los siguientes planes, en todos los cuales puede incluirse o no el capítulo 1.
1. Estudio de los principios de transferencia df momento lineal, de calor y de masa, y de las operaciones uni tarias. En este plan se estudia la mayor parte del texto que cubre los principios de los procesos de transporte en la parte 1 y de las operaciones unitarias en la parte 2. Además de incluir, si así se desea, varios temas selectos. Este plan puede aplicarse en especial a la ingeniería química y a otros campos de la ingeniería de procesos en cur so de un año al nivel de los cuatro últimos semestres de licenciatura.
2. Estudio de los principios de transferencia de momento lineal, de calor y de masa,. y de operaciones unita rias selectas. Sólo se cubren las secciones elementales de la parte 1 (los capítulos de principios 2, 3, 4, 5, 6 Y 7), además de temas selectos de operaciones unitarias en la parte 2 aplicables a la especialización considerada para un curso de un semestre. Los estudiantes de ingeniería de tratamiento de aguas de desperdicio, ingeniería de pro cesos de alimentos y procesos metalúrgicos, pueden adoptar este plan.
3. Estudio de los principios de transferencia de momento lineal, de calor y de masa. El propósito de este plan para un curso de un semestre o un trimestre es el de obtener una comprensión básica de los procesos de transpor te de transferencia de momento lineal, calor y masa. Esto implica el estudio de las secciones elementales y de te mas selectos de los capítulos dedicados a los principios: 2, 3 , 4, 5, 6 Y 7 en la parte 1, omitiendo la parte 2, es decir, los capítulos de aplicaciones de las operaciones unitarias.
4. Estudio de las operaciones unitarias. Si el estudiante ya ha tomado cursos de principios de transferencia de momento lineal, de calor y de masa, los capítulos 2-7 pueden omitixse y estudiarse solamente los conespon dientes a operaciones unitarias de la parte 2 en un curso de un semestre o un trimestre. Este plan puede ser útil para ingenieros químicos y otras especialidades.
5. Estudio de transferencia de masa. Para estudiantes de ingeniería química o mecánica que han tomado cur- . sos de transferencia de momento lineal y de calor, así como para los que sólo desean adquirir conocimientos ge nerales de transferencia de masa en un semestre o un trimestre, se recomienda estudiar los capítulos 6, 7 Y 10. Los capítulos 9, 11 Y 12 pueden cubrirse o no, dependiendo de los requerimientos del estudiante.
Diferentes escuelas y profesores difieren en el uso de las computadoras en los cursos de ingeniería. Todas las ecuaciones y problemas que se presentan en el texto pueden ser resueltos con el uso de. una calculadora de mano. Sin embargo, los problemas más complicados que tienen que ser resueltos por medio de integrales, métodos fini tos y métodos numéricos para difusión y conducción bidimensional en estado estacionario para éstos se puede utilizar una hoja de cálculo. La mayoría de los estudiantes son capaces de utilizar esta herramienta.
La comunidad científica ya ha adoptado el sistema de unidades internacional SI (Systémelnternationale d'U nités) y el cambio se ha efectuado con gran rapidez. Debido a ello, este libro utiliza el sistema de unidades SI pa ra ecuaciones, problemas de ejemplo y problemas de estudio. Sin embargo, las ecuaciones más importantes del texto se expresan en un sistema doble de unidades, SI e inglés, cuando ambos difieren. Algunos problemas de ejemplo y de estudio también se expresan en unidades inglesas, para aquellos que desean utilizar este sistema.
Christie John Geankoplis
1 Introducción a los principios
, de ingeniería y sus unidades
1.1 Clasificación de los procesos de transporte y procesos de separación (operaciones unitarias)
1.1A Introducción
En las industrias de procesos químicos y físicos, así como en las de procesos biológicos y de alimentos, exis ten muchas semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de entrada o de alimentación se modifican o se procesan para obtener los materiales finales de productos químicos o biológicos. Es posible considerar es tos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente distintos, y clasificarlos en una serie de etapas in dividuales y diferentes, llamadas operaciones unitarias. Sin embargo, el término "operaciones unitarias" ha sido sustituido con gran frecuencia por otro más moderno y descliptivo: "procesos de separación". Sin impor tru: cómo se les denomine, las operaciones unitarias o proCesos de separación son comunes a todos los tipos de industrias de proceso.
Por ejemplo, la operación unitaria (o proceso de separación) conocida como destilación se usa para puri ficru· o…
de calor y de masa
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DE PROCESOS DE SEPARACION (INCLUYE OPERACIONES UNITARIAS)
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Procesos de transporte y principios de procesos de separación (incluye operaciones unitarias) Derechos reservados respecto a la cuarta edición en español: © 1982, 1995, 1998,2006, Christie John Geankoplis © 1985, 1993, 1998, COMPAÑÍA EDITORIAL CONTINENTAL, SA DE c.v. © 2006, GRUPO PATRIA CULTURAL, SA DE C.v. bajo el sello de Compañía Editorial Continental Renacimiento 180, Colonia San Juan Tlihuaca, Delegación AzcapotzaJco, Código Postal 02400, México, D.F.
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Primera edición: 1982 Segunda edición: 1995 Tercera edición: 1998 Cuarta edición: 2006
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Contenido
Prefacio
PARTE 1 PROCESO DE TRANSPORTE: DE MOMENTO, DE CALOR Y DE MASA
Capítulo 1 Introducción a los principios de ingeniería y sus unidades
1.1 Clasificación de los procesos de transporte y procesos de separación (operaciones unitarias) 1.2 El sistema (SI) de unidades fundamentales usado en este texto y otros sistemas de unidades 1.3 Métodos para expresar temperaturas y composiciones 1.4 Leyes de los gasys y presión de vapor 1.5 Conservación de la masa y balances de materia 1.6 Unidades de energía y calor 1.7 Conservación de energía y balances de calor 1.8 Métodos numéricos para integración
Capítulo 2 Principios de transferencia de momento lineal y balances globales
2.1 Introducción 2.2 Estática de fluidos 2.3 Ecuación general de transporte molecular para transferencia de movimiento lineal,
calor y masa 2.4 Viscosidad de los fluidos 2.5 Tipos de flujo de fluidos y el número de Reynolds 2.6 Balance total de masa y ecuación de continuidad 2.7 Balance global de energía 2.8 Balance general de momerito lineal 2.9 Balance de momento lineal en el recinto y perfil de velocidades en flujo laminar
2.10 Ecuaciones de diseño para flujos laminar y turbulento en tuberías 2.11 Flujo compresible de gases
Capítulo 3 Principios de la transferencia de momento lineal y aplicaciones
3.1 Flujo alrededor de objetos inmersos y lechos empacados y fluidizados 3.2 Medición del flujo de fluidos ' 3.3 Bombas y equipo para manejar gases 3.4 Agitación y mezclado de fluidos y necesidades de potencia 3.5 Fluidos no newtonianos 3.6 Ecuaciones diferenciales de continuidad
xiii
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-- Procesos de transporte y principios de procesos de separación
3.7 Ecuación diferencial de transferencia de momento lineal o de movimiento 3.8 Uso de las ecuaciones diferenciales de movimiento y continuidad 3.9 Otros métodos para la resolución de ecuaciones diferenciales de movimiento
3.10 Flujo de capa límite y turbulencia 3.11 Análisis dimensional de la transferencia de momento lineal
Capítulo 4 Principios de la transferencia de calor en estado estacionario
194 200 209 216 228
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4.1 Introducción y mecanismos de la transferencia de calor 243 4.2 Transferencia de calor por conducción 249 4.3 Conducción a través de sólidos en serie 252 4.4 Conducción en estado estacionario y factores de forma 264 4.5 Transferencia de calor por convección forzada dentro de tuberías 266 4.6 Transferencia de calor por convección forzada en el exterior de diferentes geometrías 279 4.7 Transferencia de calor en convección natural 285 4.8 Ebullición y condensación 292 4.9 Intercambiadores de calor 300
4.10 Introducción a la transferencia de calor por radiación 309 ~U1 Principios avanzados de transferertcia de calor por radiación 315 4.12 Transferencia de calor en fluidos no newtonianos 332 4.13 Casos especiales de coeficientes de transferencia de calor 335 4.14 Análisis dimensional en la transferencia de calor 343 4.15 Métodos numéricos para la conducción en estado estacionario en dos dimensiones 346
Capítulo 5 Principios de la transferencia de calor en estado no estacionario
5.1 Deducción de la ecuación básica 5.2 Caso simplificado de sistemas con resistencia interna despreciable 5.3 Conducción del calor en estado no estacionario en diversas geometrías 5.4 Métodos numéricos de diferencia finita para conducción en estado no estacionario 5.5 Enfriamiento y congelación de alimentos y materiales biológicos 5.6 Ecuación diferencial de cambio de energía 5.7 Flujo de capa límite y turbulencia en la transferencia de calor
Capítulo 6 Principios de transferencia de masa
6.1 Introducción a la transferencia de masa y difusión 6.2 Difusión molecular en gases 6.3 Difusión molecular en líquidos 6.4 Difusión molecular en soluciones y geles biológicos 6.5 Difusión molecular en sólidos 6.6 Métodos numélicos para la difusión molecular en
estado estacionario en dos dimensiones
Capítulo 7 Principios de transferencia de masa convectiva en estado no estacionario
7.1 Difusión en estado no estacionario 7.2 Coeficientes de transferencia convectiva de masa 7.3 Coeficientes de transferencia de masa para diversas geometrías 7.4 Transferencia de masa a suspensiones de partículas pequeñas 7.5 Difusión molecular más convección y reacción química
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7.6 Difusión de gases en sólidos porosos y capilares 7.7 Métodos numéricos para difusión molecular en estado no estacionario 7.8 Análisis dimensional en la transferencia de masa 7.9 Flujo de capa límite y turbulencia en la transferencia de masa
PARTE 2 PRINCIPIOS DE PROCESOS DE SEPARACIÓN (INCLUYE OPERACIONES UNITARIAS)
Capítulo 8 Evaporación
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8.1 Introducción 8.2 Tipos de equipos de evaporación y métodos de operación 8.3 Coeficientes totales de transferencia de calor en evaporadores 8.4 Métodos de cálculo para evaporadores de un solo efecto 8.5 Métodos de cálculo para evaporadores de efecto múltiple 8.6 Condensadores para evaporadores 8.7 Evaporación de materiales biológicos 8.8 Evaporación mediante recompresión de vapor
Capítulo 9 Secado de materiales de proceso
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9.1 Introducción y métodos de secado 9.2 Equipo para secado 9.3 Presión de vapor del agua y humedad 9.4 Contenido de humedad de equilibrio de los materiales 9.5 Curvas de velocidad de secado 9.6 Métodos para calcular el periodo de secado de velocidad constante 9.7 Métodos para calcular el periodo de secado de velocidad decreciente 9.8 Transferencia de calor por combinación de convección, radiación y conducción
durante el periodo de velocidad constante 9.9 Secado por difusión y flujo capilar durante el periodo de velocidad decreciente
9.10 Ecuaciones para diversos tipos de secadores 9.11 Liofilización de materiales biológicos por congelación 9.12 Procesamiento térmico en estado no estacionario y esterilización de materiales biológicos
Capítulo 10 Procesos de separación gas-fluido por etapas y continuos
10.1 Tipos de procesos y métodos de separación 10.2 Relaciones de equilibrio entre fases 10.3 Contacto de equilibrio en una y en múltiples etapas 10.4 Transferencia de masa entre fases 10.5 Procesos continuos de humidificación 10.6 Absorción en torres empacadas y de platos 10.7 Absorción de mezclas concentradas en torres empacadas 10.8 Estimación de los coeficientes de transferencia de masa para torres empacadas
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Capítulo 11 Proceso de separación vapor-líquido
11.1 Relaciones de equilibrio vapor-líquido 11.2 Contacto de equilibrio de una sola etapa para un sistema vapor-líquido 11.3 Métodos simples de destilación 11.4 Destilación con reflujo y el método de McCabe-Thiele 11.5 Eficiencias de destilación y absorción para platos y tones empacadas 11.6 Destilación fraccionada usando el método de entalpía-concentración 11.7 Destilación de mezclas de multicomponentes
Capítulo 12 Proceso de separación vapor-líquido y sólido-líquido
12.1 Introducción a los procesos de adsorción 12.2 Adsorción por lotes 12.3 Diseño de columnas de adsorción de lecho fijo 12.4 Procesos de intercambio de iones 12.5 Procesos de extracción líquido-líquido en una sola etapa 12.6 Tipos de equipo y diseño para extracción líquido-líquido 12.7 Extracción continua a contraconiente en etapas múltiples 12.8 Introducción y equipo para lixiviación líquido-sólido 12.9 Relaciones de equilibrio y lixiviación en una sola etapa
12.10 Lixiviación a contraconiente en etapas múltiples 12.11 Introducción y equipo para cristalización 12.12 Teoría de la cristalización
Capítulo 13 Procesos de separación a través de una membrana
13.1 Introducción y tipos de procesos de separación a través de las membranas 13.2 Procesos de membrana de permeación de líquidos o diálisis 13.3 Procesos a través de una membrana para permeación de gases 13.4 Modelo de mezcla completa para la separación de gases por medio de membranas 13.5 Modelo de mezcla completa para mezclas de multicomponentes 13.6 Modelo de flujo cruzado para la separación de gases por membranas 13.7 Derivación de ecuaciones para flujo a contraconiente y en paralelo para separación
de gases en membranas 13.8 Derivación del método numérico de diferencias finitas para membranas asimétricas 13.9 Procesos a través de una membrana de ósmosis inversa
13.10 Aplicaciones, equipo y modelos para ósmosis inversa 13.11 Procesos a través de una membrana de ultrafiltración 13.12 Procesos de membrana de microfiltración
Capítulo 14 Procesos de separación físico-mecánicos
14.1 Introducción y clasificación de los procesos de separación fisico-mecánicos 14.2 Filtración en la separación sólido-líquido 14.3 Precipitación y sedimentación en la separación particular-fluido 14.4 Procesos de separación por centrifugación 14.5 Reducción mecánica de tamaño
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APÉNDICES
Apéndice A.l Constantes fundamentales y factores de conversión Apéndice A.2 Propiedades físicas del agua Apéndice A.3 Propiedades físicas de compuestos inorgánicos y orgánicos Apéndice A.4 Propiedades físicas de materiales alimenticios y biológicos Apéndice A.S Propiedades de tuberías, duetos y tamices
Notación
Índice
Contenido
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1021
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Prefacio
En esta cuarta edición, los objetivos principales y el formato de las ediciones anteriores no han variado. Las secciones sobre transferencia de momento lineal se han ampliado en gran medida, sobre todo las que se re fieren a las ecuaciones diferenciales de la transferencia de momento lineal. Esto permite ahora cubrir por com pleto los procesos de transferencia de momento lineal, de calor y de masa. Por otra parte, a las secciones de operaciones unitarias se les agregó una sección sobre adsorción y un capítulo ampliado sobre los procesos a través de membrana.
En los últimos años, el campo de la ingeniería química relacionado con los cambios físicos y fisicoquí micos de materiales orgánicos e inorgánicos y, hasta cierto punto también, de los materiales biológicos, se ha ido mezclando con otras áreas de la ingeniería de procesos. Entre éstas están la ingeniería sanitaria o de tra tamiento de aguas de desperdicio (ingeniería civil) y la bioingeniería. Todos estos campos utilizan los princi pios de momento lineal, transporte de masas y de calor, y operaciones unitarias en sus procesos.
Tradicionalmente, la mayoría de los ingenieros toman cursos en los que estudian la transferencia de mo mento lineal o el flujo de fluidos y la transferencia de calor. El estudio de la transferencia de masas se ha li mitado casi siempre a los ingenieros químicos. Sin embargo, recientemente se ha visto que los ingenieros de otras especialidades tienen interés en la transferencia de masas de gases, líquidos y sólidos.
Puesto que el ingeniero químico de la actualidad debe estudiar muchos temas, resulta necesario propor cionar una introducción más unificada a los procesos de transporte de momento lineal (dinámica de fluidos), calor y transferencia de masas, y a las aplicaciones de operaciones unitarias. En este texto, se estudian prime ro los principios de los procesos de transferencia o transporte, para pasar después a las operaciones unitarias. Para lograr esto, el libro se divide en dos partes principales.
PARTE 1: Procesos de transporte: de momento, de calor y de masa
Esta parte, en la cual se estudian los principios fundamentales, contiene los siguientes capítulos: 1. Introduc ción a los principios de ingeniería y sus unidades; 2. Principios de transferencia de momento lineal y balan ces globales; 3. Principios de la transferencia de momento lineal y aplicaciones; 4. Principios de la transferencia de calor en estado estacionario; 5. Principios de transferencia de calor estado no estacionario; 6. Principios de la transferencia de masa; 7. Principios de la transferencia, de masa convectiva y en estado no estacionario.
PARTE 2: Principios de procesos de separación (incluye operaciones unitarias)
En esta parte, dedicada a las aplicaciones, se cubren las siguientes operaciones unitarias: 8. Evaporación; 9. Secado de materiales de proceso; 10. Procesos de separación gas-fluido por etapas y continuos; 11. Procesos de separación vapor-líquido; 12. Procesos de separación vapor-líquido y sólido-líquido; 13. Procesos de se paración a través de una membrana; 14. Procesos de separación físico-mecánico.
En el capítulo 1 se repasan algunos principios elementales de ingeniería, métodos gráficos y matemáti cos, leyes de física y química, balances de materia y balances de calor. Muchos estudiantes, en especial los de ingeniería química, ya están familiarizados con la mayoría de estos principios y pueden omitir algunas par tes del capítulo o su totalidad.
Algunos temas relacionados con los procesos de materiales biológicos, pueden omitirse a discreción del estudiante o del profesor; por ejemplo, las secciones 5.5, 6.4, 8.7,9.11 y 9.12. El texto incluye más de 240 problemas de ejemplos y más de 550 problemas para ser resueltos por el estudiante. Algunos de estos últimos de estudio se relacionan con sistemas biológicos y fueron incluidos para los lectores especialmente interesa dos en esta área.
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Procesos de transporte y principios de procesos de separación
Una de las características específicas de este libro es la división de cada capítulo en secciones elementales y secciones de temas selectos. En las secciones elementales (que aparecen al principio de cada capítulo) se estudian los principios fundamentales necesarios para una comprensión adecuada de los temas . Después, y dependiendo de las necesidades del lector o el profesor, pueden estudiarse diversos temas sefectos. Por ejemplo, en el capítu- ?
lo 2, las secciones 2.1 a 2.5 cubren los principios básicos y las secciones 2.6 a 2.13, identificadas como temas se- ¡
lectos, abarcan temas especializados o estudios avanzados de los principios básicos. Un caso típico son las secciones 2.6 (tema selecto) "Flujo compresible de gases" y la 2.10 (tema selecto) "Fluidos no newtonianos", que por lo general se omiten en el estudio elemental de los principios básicos. La totalidad del texto se basa en este tipo de distribución de los temas de estudio.
Este libro puede usarse para un curso formal, recomendándose entonces los siguientes planes, en todos los cuales puede incluirse o no el capítulo 1.
1. Estudio de los principios de transferencia df momento lineal, de calor y de masa, y de las operaciones uni tarias. En este plan se estudia la mayor parte del texto que cubre los principios de los procesos de transporte en la parte 1 y de las operaciones unitarias en la parte 2. Además de incluir, si así se desea, varios temas selectos. Este plan puede aplicarse en especial a la ingeniería química y a otros campos de la ingeniería de procesos en cur so de un año al nivel de los cuatro últimos semestres de licenciatura.
2. Estudio de los principios de transferencia de momento lineal, de calor y de masa,. y de operaciones unita rias selectas. Sólo se cubren las secciones elementales de la parte 1 (los capítulos de principios 2, 3, 4, 5, 6 Y 7), además de temas selectos de operaciones unitarias en la parte 2 aplicables a la especialización considerada para un curso de un semestre. Los estudiantes de ingeniería de tratamiento de aguas de desperdicio, ingeniería de pro cesos de alimentos y procesos metalúrgicos, pueden adoptar este plan.
3. Estudio de los principios de transferencia de momento lineal, de calor y de masa. El propósito de este plan para un curso de un semestre o un trimestre es el de obtener una comprensión básica de los procesos de transpor te de transferencia de momento lineal, calor y masa. Esto implica el estudio de las secciones elementales y de te mas selectos de los capítulos dedicados a los principios: 2, 3 , 4, 5, 6 Y 7 en la parte 1, omitiendo la parte 2, es decir, los capítulos de aplicaciones de las operaciones unitarias.
4. Estudio de las operaciones unitarias. Si el estudiante ya ha tomado cursos de principios de transferencia de momento lineal, de calor y de masa, los capítulos 2-7 pueden omitixse y estudiarse solamente los conespon dientes a operaciones unitarias de la parte 2 en un curso de un semestre o un trimestre. Este plan puede ser útil para ingenieros químicos y otras especialidades.
5. Estudio de transferencia de masa. Para estudiantes de ingeniería química o mecánica que han tomado cur- . sos de transferencia de momento lineal y de calor, así como para los que sólo desean adquirir conocimientos ge nerales de transferencia de masa en un semestre o un trimestre, se recomienda estudiar los capítulos 6, 7 Y 10. Los capítulos 9, 11 Y 12 pueden cubrirse o no, dependiendo de los requerimientos del estudiante.
Diferentes escuelas y profesores difieren en el uso de las computadoras en los cursos de ingeniería. Todas las ecuaciones y problemas que se presentan en el texto pueden ser resueltos con el uso de. una calculadora de mano. Sin embargo, los problemas más complicados que tienen que ser resueltos por medio de integrales, métodos fini tos y métodos numéricos para difusión y conducción bidimensional en estado estacionario para éstos se puede utilizar una hoja de cálculo. La mayoría de los estudiantes son capaces de utilizar esta herramienta.
La comunidad científica ya ha adoptado el sistema de unidades internacional SI (Systémelnternationale d'U nités) y el cambio se ha efectuado con gran rapidez. Debido a ello, este libro utiliza el sistema de unidades SI pa ra ecuaciones, problemas de ejemplo y problemas de estudio. Sin embargo, las ecuaciones más importantes del texto se expresan en un sistema doble de unidades, SI e inglés, cuando ambos difieren. Algunos problemas de ejemplo y de estudio también se expresan en unidades inglesas, para aquellos que desean utilizar este sistema.
Christie John Geankoplis
1 Introducción a los principios
, de ingeniería y sus unidades
1.1 Clasificación de los procesos de transporte y procesos de separación (operaciones unitarias)
1.1A Introducción
En las industrias de procesos químicos y físicos, así como en las de procesos biológicos y de alimentos, exis ten muchas semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de entrada o de alimentación se modifican o se procesan para obtener los materiales finales de productos químicos o biológicos. Es posible considerar es tos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente distintos, y clasificarlos en una serie de etapas in dividuales y diferentes, llamadas operaciones unitarias. Sin embargo, el término "operaciones unitarias" ha sido sustituido con gran frecuencia por otro más moderno y descliptivo: "procesos de separación". Sin impor tru: cómo se les denomine, las operaciones unitarias o proCesos de separación son comunes a todos los tipos de industrias de proceso.
Por ejemplo, la operación unitaria (o proceso de separación) conocida como destilación se usa para puri ficru· o…