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Procesos de transporte

.. . d d ., y prinCipiOS e procesos e separaClon

12.5-1.

Composición de dos fases líquidas en equilibrio. Una mezcla original que pesa 200 kg Y que contiene 50 kg de éter isopropílico, 20 kg de ácido acético y 130 kg de agua, alcanza su equilibrio en un mezclador-sedimentador y después se separan las fases. Determine la cantidad y composición de las capas de refinado y de extracto. Use los datos de equilibrio del apéndice A.3.

12.5-2.

Extracción en una sola etapa. Se lleva a cabo la extracción en una sola etapa en la cual 400 kg de una solución que contiene 35 % en peso de ácido acético en agua se pone en contacto con 400 kg de éter isopropílico puro. Calcule la cantidad y la composición de las capas de refinado y de extracto. Proceda a la determinación con métodos algebraicos y también con la regla de la palanca. ¿Qué porcentaje de ácido acético se extrae? Use los datos de equilibrio del apéndice A.3. Respuesta:

LI

= 358 kg, X BI = 0.715, YA I

12.5-3.

X CI

= 0.03,

VI

= 442 kg,

= 0.11 , YC I = 0.86,34.7 % extraído

Extracción en una sola etapa de composición desconocida. Una mezcla de alimentación que pesa 200 kg Y con proporciones desconocidas de agua, ácido acético y éter isopropílico, se pone en contacto en una sola etapa con·280 kg de una mezcla que contiene 40% en peso de ácido acético, 10% en peso de agua y 50% en peso de éter isopropílico. La capa refinada resultante pesa 320 kg Y contiene 29 .5% en peso de ácido acético, 66.5 % en peso de agua y 4.0% en peso de éter isopropílico. Determine la composición original de la mezcla de alimentación y la composición de la capa de extracto resultante. Use los datos de equilibrio del apéndice A.3. Respuesta: x AO = 0.032, x BO = '0.948, YAI

= 0.15

12.5-4. Extracción de acetona en una sola etapa. Una mezcla que pesa 1 000 kg contiene 23.5 % en peso de acetona y 76.5 % en peso de agua y se va a extraer con 500 kg de metilisobutil cetona en una sola etapa. Determine la cantidad y la composición de las fases de refinado y de extracto. Use los datos de eq uilibrio del apéndice A.3. 12.6-1.

Velocidad de inundación y diámetro de la torre. Usando las mismas velocidades de flujo para cada corriente y condiciones de alimentación que en el ejemplo 12.6-1 , con anillos Pall de 1 pulgada, diseñar una torre para 50% de inundación con la fase acuosa dispersa en vez del tolueno. Comparar los resultados. Respuesta: Diámetro = 1.274 pies

12.6-2.

Tensión interfacial en un sistema de extracción. Los datos de equilibrio para el sistema de agua (A)-ácido acético (C)-éter isopropílico (B) se incluyen en la tabla A.3-24 del apéndice. Empleando los datos para solución diluida, donde la fracción peso de ácido acético en la fase rica en agua es 0.69%, calcular la tensión interfacial. Respuesta: a = 20.28 din/cm

12.6-3.

Eficiencia de charolas de platos perforados. Con un disolvente orgánico se está extrayendo un ácido de una solución acuosa en una torre de platos perforados. La velocidad de flujo de disolvente orgánico disperso es de 600 pies 3/h y la veÍocidad de flujo acuoso continuo es 400 pies 3/h. La tensión interfacial es 15 dio/cm y el espaciamiento entre las charolas es 1.1 pies . El tamaño de las perforaciones es 0.40 cm. Estimar la eficiencia de las charolas. ¿Qué ocurre si la velocidad de flujo de disolvente se reduce a 400 pies 3/h? Respuesta: Ea = 0.133 (disolvente 600 pies 3/h)

12.7-1.

Extracción en etapas múltiples con disolvente nuevo en cada etapa. Se va a usar agua pura para extraer ácido acético de 400 kg de solución de alimentación que contiene 25 % en peso de ácido acético en éter isopropílico. Use los datos de equilibrio del apéndice A.3.

http://carlos2524.jimdo.com/ Capítulo 12 Proceso d e separaClon ., vapor- I" ' I'd Iquld o y so I 0- l'Iqul'd o

a) Si se usan 400 kg de agua, calcule el porcentaje de recuperación en la solución acuosa en un proceso de una sola etapa. b) Si se usa un sistema de etapas múltiples alimentando 133.3 kg de agua nueva en cada etapa, calcule el porcentaje total de recuperación del ácido en el agua total de salida. (Sugerencia: Primero, calcule las corrientes de salida de refinado y extracto para la primera etapa, usando 400 kg de solución de alimentación y 133 kg de agua. Para la segunda etapa, la fase orgánica de salida de la primera etapa entra en contacto con 133 kg de agüa. Para la tercera etapa, la fase orgánica de sa. lida de la segunda etapa se pone en contacto con 133.3 kg de agua, y así sucesivamente.)

12.7-2. Balance general en una extracción a contracorriente en etapas. Una alimentación acuosa de 200 kg/h que contiene 25% en peso de ácido acético, se extrae con éter isopropílico puro a velocidad de 600 kg/h en un sistema a contracorriente de etapas múltiples. La concentración de salida del ácido en la fase acuosa debe tener 3.0% en peso de ácido .acético. Calcule la composición de las corrientes de refinado y de extracto, con los datos de equilibrio del apéndice A.3.

12.7-3. Disolvente mínimo y extracción de acetona a contracorriente. Una alimentación acuosa de 1 000 kg/h que contiene 23.5% en peso de acetona y 76.5 % en peso de agua se extrae en un sistema a contracorriente de etapas múltiples usando metil-isobütil-cetona pura a 298 299 K. El refinado acuoso de salida debe contener 2.5% en peso de acetona. Use los datos de equilibrio del apéndice A.3. a) Calcule el mínimo de disolvente que se puede usar. [Sugerencia: En este caso, la línea de enlace a través de la alimentación Lo representa la condición de velocidad mínima de flujo del disol. vente. Esto permite obtener V[ mín. Entonces, al trazar las líneas LNV[ mín y Lo VN+ P se obtienen los valores del punto de mezcla Mmín y de la coordenada X AM mín . Use la ecuación (12.7-4) y determine el valor de VN+ 1 mín' que es el valor mínimo de la velocidad de flujo de disolvente VN+ 1.] b) Usando una velocidad de flujo de disolvente 1.5 veces mayor que el mínimo, calcule el numero de etapas teóricas.

12.7-4. Extracción de ácido acético a contracorriente y mínimo de disolvente. Una alimentación de solución acuosa de 1 000 kg/h de ácido acético al 30.0% en peso se va a extraer en un proceso a contracorriente de etapas múltiples con éter isopropílico puro, para reducir la concentración del ácido a 2.0% en peso en el refinado final. Use los datos de equilibrio del apéndice A.3. a) Calcule la velocidad mínima de flujo de disolvente que se puede usar. (Sugerencia: Véase el método del problema 12.7-3.) b} Determine el número de etapas teóricas necesarias cuando se usan 2 500 kg/h de disolvente. (No ta: Puede ser necesario volver a graficar en una escala más amplia las concentraciones del extremo diluido.) Respuesta: a) Velocidad mínima de flujo del disolvente VN+ 1 = 1 630 kg/h; b) 7.5 etapas

12.7-5. Número de etapas en una extracción a contracorriente. Repita'el ejemplo 12.7-2 pero usando una concentración de salida del ácido en la fase acuosa de 4.0% en peso.

12.7-6. Extracción con disolventes inmiscibles. Una solución acuosa de 1 000 kg/h que contiene 1.5% en peso de nicotina en agua se desprende con una corriente de queroseno de 2 000 kg/h que contiene 0.05 % en peso de nicotina en una torre a contracorriente en etapas. El agua de salida contiene sólo 10% de la nicotina original, es decir, se elimina el 90% . Emplee los datos de equilibrio del ejemplo 12.7-3. Calcule el número de etapas teóricas necesarias. Respuesta: 3.7 etapas

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.. . d d ., y pnnclplos e procesos e separaClon

12.7-7. Ecuación analítica para el número de etapas. El ejemplo 12.7-3 proporciona datos de extracción de nicotina del agua mediante queroseno, en donde los dos disolventes son inrniscibles. Se necesitaron 3.8 etapas teóricas. Emplee las ecuaciones analíticas (10.3-21) a la (10.3-26) para calcular el número de etapas teóricas y compárelo con el valor obtenido gráficamente. 12.7-8.

Velocidad mínima del disolvente con disolventes inmiscibles. Determine la velocidad mínima del queroseno disolvente para efectuar la extracción deseada en el ejemplo 12.7-3. Empleando 1.50 veces la velocidad mínima, determine las etapas teóricas necesarias de forma gráfica y también usando las ecuaciones analíticas. Respuesta: V'

= 153.8 kg/h, N = 6.86 analíticamente

12.7-9. Eliminación de nicotina del queroseno. Un flujo de queroseno de 100 kg/h contiene 1.4% en peso de nicotina que se elimina con agua pura en una torre a contracorriente de etapas múltiples. Se desea eliminar el 90% de la nicotina. Usando una velocidad de agua de 1.50 veces el mínimo, determine el número de etapas teóricas necesarias. (Emplee los datos de equilibrio del ejemplo 12.7-3.) 12.7.10. Extracción de acetona del agua y número de unidades de transferencia. Repita el ejemplo 12.7-4 para extracción de acetona del agua usando 1.5 veces la velocidad mínima de flujo de disolvente, de acuerdo con lo siguiente: a) Determinar gráficamente el número de pasos teóricos que se necesitan. b) Calcular el número de pasos mediante la ecuación analítica. c) Para una torre empacada con este sistema, la altura de la unidad de transferencia ROL se estimó como 0.9 m. Calcular el número de unidades de transferencia N OL Y la altura de la torre. Respuesta: b) N = 5.34 pasos con el método analítico; c) N OL = 6.21 unidades de transferencia

12.7.11. Predicción de la extracción para una torre existente con un número dado de pasos. Una torre existente contiene 5.0 pasos teóricos. Se desea predecir sU'funcionamiento bajo las siguientes condiciones usando el sistema agua-acetona-tricloroetano dado en el ejemplo 12.7-4. Se extrae una corriente de agua de entrada de 1 000 kg/h que contiene 8.0% en peso de acetona con 750 kg/h de tricloroetano que contiene 1.0% en peso de acetona en esta torre a contracorriente a 25 oc. Determinar la concentración de salida Xl en la solución de agua y en la solución de tricloroetano usando una ecuación analítica. Graficar también las líneas de equilibrio y de operación y la división de los 5.0 pasos. Asumir que las soluciones son diluidas. Respuesta:

XI

= 0.01205, Y2 = 0.0932

12.8-1. Difusividad efectiva en la lixiviación de partículas. En el ejemplo 12.8-1 se requiere un tiempo de lixiviación de la partícula sólida de 3.11 h para extraer el 80% del soluto. Haga los cálculos siguientes: a) Empleando los datos experimentales, calcule la difusividad efectiva, DAeff" b) Pronostique el tiempo para extraer por lixiviación el 90% del soluto de la partícula de 2.0 mm. Respuesta: a) DAeff = 1.0

X

10-5 mm2/s; b) t

= 5.00 h

12.9-1. Lixiviación de aceite de soya en una sola etapa. Repita el ejemplo 12.9-1 para lixiviación de aceite de soya en una sola etapa. Los 100 kg de frijol de soya contienen 22% en peso de aceite y se añaden 80 kg de disolvente de alimentación, con 3% en peso de aceite de soya. ' Respuesta: LI 12.9-2.

= 52.0 kg, YAI = 0.239, VI = 50.0 kg, X A I = 0.239, N I = 1.5

Lixiviación de una suspensión de soya en una sola etapa. Una suspensión de soya en escamas que pesa un total de 100 kg, contiene 75 kg de sólidos inertes y 25 kg de solución con 10% en peso de aceite y 90% en peso de disolvente hexano. La suspensión entra en contacto con 100 kg de hexano puro en una sola etapa, de manera que el valor de N para el flujo inferior de salida es 1.5 kg de sólidos