Transferencia DeEnergía

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA

Problema

En este proyecto se busca reconocer los tipos de transferencia de energía que existen en cada etapa del proceso de separación de una mezcla metanol-agua 50% que se efectúa en un separador bifásico vertical, y determinar las condiciones para su correcta operación.

Introducción

Cuando planeamos separar una mezcla homogénea, debemos tomar en cuenta las propiedades físicas de los componentes de la mezcla y aprovechar las diferencias que hay entre los constituyentes. También es importante considerar los requerimientos de energía, costo y disponibilidad de los materiales de construcción y proceso.

El proceso de separación más utilizado en la industria química es la Destilación. Esta operación unitaria también es conocida como fraccionamiento o destilación fraccionada. La separación de los constituyentes se basa en las diferencias de volatilidad. En la destilación, una fase de vapor se pone en contacto con una fase líquido, transfiriéndose masa del líquido al vapor y del vapor al líquido. Por lo general, el líquido y el vapor contienen los mismos componentes aunque en distintas proporciones. El líquido se encuentra a su temperatura de burbuja, mientras que el vapor en equilibrio está a su temperatura de rocío. En forma simultánea, se transfiere masa desde el líquido por evaporación y desde el vapor por condensación. La evaporación y condensación involucran calores latentes de vaporización de cada componente y por ello, al calcular una destilación deben considerarse los efectos del calor.

La destilación se utiliza mucho para separar mezclas líquidas en componentes más o menos puros. Debido a que la destilación implica evaporación y condensación de la mezcla, es una operación que necesita grandes cantidades de energía.

Los componentes más ligeros (de punto de ebullición más bajo) tienden a concentrarse en la fase de vapor, mientras que los más pesados (de punto de ebullición más alto) tienden a la fase líquida. El resultado es una fase de vapor que se hace más rica en componentes ligeros al ir ascendiendo por la columna, y una fase líquida que se va haciendo cada vez más rica en componentes pesados conforme desciende en cascada. La separación general que se logra entre el producto superior y el del fondo depende primordialmente de las volatilidades relativas de los componentes, el número de platos de contacto y de la relación de reflujo de la fase líquida a la de vapor.

Una gran ventaja de la destilación es que no es necesario añadir un componente a la mezcla para efectuar la separación

Diagrama del proceso:

Este es un proceso en el cual se lleva a cabo la separación de la mezcla agua-metanol, a través de una destilación en donde el punto principal

consiste en retirar el fluido más volátil (metanol), esto se lleva a cabo mediante un tanque en donde la mezcla se calentará para llegar a una temperatura a la cual se pueda evaporar el metanol, salga por la corriente superior y después de pasar por un condensador, será recolectado, mientras que se tendrá una corriente de recirculación en la parte inferior, para rescatar las trazas de metanol que puedan estar escapando en la corriente de agua, esto lo haremos a través de un termosifón, el cual es un aparato cuyo funcionamiento se explica con las corrientes de convección naturales de los fluidos, en los que las partes calientes de los mismos tienden a ascender. A este fenómeno se le conoce también como sistema de circulación natural.

Para conocer el calor que se requiere, es decir, la cantidad de energía que tenemos que aplicarle al sistema, se requiere de un balance de energía, conocer los puntos de ebullición y de fusión de las sustancias involucradas, podemos guiarnos en diagramas de entalpías para ver bajo qué condiciones de temperatura y presión podemos trabajar.

Términos relevantes

Conducción de calor: es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas.

El principal parámetro dependiente del material que regula la conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

Convección: Se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Éstos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, su densidad disminuye y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.

La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica, forzada o asistida).

En la transferencia de calor libre o natural, un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.

Radiación: Energía emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos con temperatura superior a 0 K emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagnético.

Bomba: Máquina hidráulica

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