1 Taller 1 de Lixiviación
EXTRACIÓN SÓLIDO - LÍQUIDO "La verdadera educación consiste en obtener lo mejor de uno mismo. ¿Qué otro libro se puede estudiar mejor que el de la Humanidad?".
Mohandas Karamchand Gandhī o Mahatma Gandhi (1869-1948)
1.
Calcule las composiciones de los sistemas indicados a continuación:
a) b) c)
De 500 kg de una mezcla de composición en peso: 20% de agua, 30% de sal y 50%, se evaporan 80 kg de agua. 100 kg de una mezcla de composición en peso: 50% de sal, 10% de agua y 40% de arena, se añaden a 100 kg de otra que contiene 20% de sal, 70% de agua y 10% de sal. De 500 kg de una mezcla de 50% de sal, 20% de arena y 30% de agua, se separan 300 de mezcla de 60% de sal, 25% de arena y 15% de agua.
2.
De una harina de pescado que contiene el 25% en peso de aceite y el 75% de Inertes, se ha de separar el aceite por extracción con un solvente en un sistema de extracción de tres etapas en corriente directa. Al sistema entran como alimentación (R0) 1000 kg de harina y en cada etapa se suministran 400 kg de disolvente. Calcule el porcentaje de aceite recuperado si la cantidad de solución que acompaña a los inertes del refinado es 0,40 kg/kg de inerte.
3.
Unas arenas petrolíferas que contienen el 20% en peso de petróleo se tratan en un sistema de extracción de múltiples etapas, en contracorriente con nafta, para separarles el petróleo. El extracto formado por petróleo y nafta tienen una composición del 36% en peso de petróleo. El refinado está constituido por la arena acompañada por la solución retenida en la misma. La cantidad de arena en el refinado constituye el 70% en peso del refinado. Calcule el número de etapas teóricas necesarias si al sistema entra como alimentación 25000 kg/día de arenas petrolíferas y se emplean 15000 kg/día de nafta como agente extractor (EN+1)
4.
Un sólido seco contiene el 10% en peso de una sustancia soluble en agua que se extrae con agua pura en un sistema de extracción en contracorriente. El refinado procedente de la última etapa se seca totalmente, obteniéndose un producto sólido que contiene el 0,15% en peso de sustancia soluble. El proceso se realiza empleando una relación disolvente/alimentación igual a 1,8. Se ha encontrado experimentalmente que el disolvente (D) retenido por el sólido es independiente de la concentración de la solución e igual a 1,80 kg de agua/kg de Inerte.
Crisóstomo Barajas Ferreira
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Calcule: a) b) c)
La concentración de la solución retenida por el sólido inerte que sale como refinado en la última etapa. (XRN) La concentración de la solución que sale como extracto en la primera etapa (YE1). El número de etapas teóricas necesarias.
5.
En un proceso de extracción en contracorriente se tratan 1000 kg/h de arena de playa de una composición 12% de sal, 85% de Inerte y 3% de agua; empleando 2000 kg/h de agua. La cantidad de agua retenida por el sólido inerte es 0,5 kg de agua/kg de arena. Calcule el número necesario de etapas para que la arena separada, una vez seca, contenga solamente el 0,2% de sal.
6.
En un sistema de extracción en contacto múltiple en contracorriente se tratan 1000 kg/h de hígado de bacalao. En la materia prima hay un 32% en peso de aceite, que ha de extraerse empleando 2000 kg/h de Éter de Etílico (contaminado con un 2% en peso de aceite). La cantidad de extracto separado será de 1800 kg/h, y su composición, 18% en peso de aceite. El refinado tendrá una composición de 3% de aceite, 40,33% de Éter y el resto sólido inerte. Calcule las coordenadas del polo.
7.
Un mineral de CuSO4 se somete a lixiviación con agua en un proceso continuo de extracción en contracorriente. La composición del mineral es: 10% de CuSO4 , 5% de agua y 85% de ganga inerte. El refinado separado en la última etapa no ha de contener más del 1,5% del CuSO4 inicial, en forma de solución retenida en la ganga inerte. En las condiciones de operación se ha encontrado que la solución retenida es de 1 kg/kg de inertes. Para una alimentación de 200 kg/h ( R0 ), Calcule el número de etapas y la concentración de la solución separada ( YE1 ): a) b)
8.
Empleando 400 kg/h de agua. Empleando 800 kg/h de agua.
Un sólido seco que contiene 0,30 kg de soluto/ kg de inerte se somete a extracción en múltiples etapas en contracorriente empleando como agente extractor una solución acuosa que contiene 0,2% en peso de soluto. El disolvente retenido por el sólido inerte es constante en todas las etapas e igual a 1,5 kg de agua/kg de inerte. El refinado que abandona el sistema contiene 0,05 kg de soluto/ 5 kg de inerte.
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Calcule: a)
El número de etapas teóricas necesarias, si el extracto tiene una composición del 5% en peso de soluto.
b)
La relación
c)
La relación mínima necesaria
9.
EN 1
R0
si el número de etapas teóricas es de cinco (5).
EN 1
R0
Un papel parafinado que contiene 20% en peso de parafina y 80% de inertes se trata con queroseno (con un 0,10% de parafina) en un proceso de extracción en múltiples etapas en contracorriente. La parafina pasa al extracto a razón de 4 kg de parafina por 100 kg de keroseno. El refinado está constituido por la materia inerte con 2 kg de parafina por 100 kg de inerte y la solución retenida que equivale a 2 kg de queroseno por kilogramo de inerte. Calcule el número de etapas teóricas para efectuar la extracción si se tratan 1000 kg/día de papel parafinado y la solución retenida es independiente de la concentración de parafina en el papel.
10. En un sistema de extracción en múltiples etapas en contracorriente se han de tratar 60
toneladas/día de un mineral de cobre cuya composición, después de someterlo a tostación, es la siguiente:
CuSO4 Agua Ganga inerte
8% 4% 88%
Como agente extractor se emplea una cantidad de agua tal que la concentración de la solución separada sea del 12% en CuSO4 y en ella ha de encontrarse el 98% del CuSO4 que entra en la corriente de alimentación. La cantidad de solvente (Agua) retenida por el sólido inerte en las condiciones de operación es de 1,6 kg de agua/kg de inerte. Calcule: a) b) c)
Cantidad de agua necesaria Coordenadas del polo Número de etapas teóricas.
11. Se ha de extraer aceite de hígado de pescado en un aparato de extracción continuo en
contracorriente, empleando como solvente Éter etílico con 3% de aceite. Al sistema de extracción entran 500 kg/h de hígados que contienen 25% en peso de aceite (sobre base
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libre de solvente). Si la cantidad de solvente empleado es de 400 kg/h, y la composición del refinado separado como flujo inferior es del 1% en peso de aceite (sobre base libre en solvente), calcule.
a) b)
Porcentaje de aceite recuperado en el extracto Número de etapas teóricas.
La cantidad de solución retenida por los hígados, determinada experimentalmente, esta reportada en la tabla siguiente: X
kg solución kg de hígado exento de aceite
0,00
0,190
0,10
0,23
0,20
0,26
0,30
0,31
0,40
0,37
0,50
0,45
0,60
0,55
0,70
0,67
0,72
0,74
12. Mediante la reacción Na2CO3 CaO H2O CaCO3 NaOH
se obtiene una
suspensión de CaCO3 en solución de NaOH . Se pretende separar el 95% del NaOH empleando una batería de cuatro (4) extractores en contracorriente con agua como agente extractor. Al primer extractor entran los productos de la reacción acompañados de 0,5 kg de agua/kg de CaCO3 . En las condiciones de extracción la cantidad de líquido retenida por el CaCO3 es función de la concentración de la solución, de acuerdo con los siguientes datos:
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Concentración
Solución retenida
% en peso de NaOH
kg solución/kg de CaCO3
0
1,50
5
1,75
10
2,05
15
2,70
20
3,60
Calcule:
EN1 CaCO3
a)
La relación
b) c)
La concentración del extracto El número de etapas teóricas si se debe recuperar el 99% del NaOH y se utiliza la misma cantidad de agente extractor calculada en el apartado (a)
13. Se ha de proyectar una instalación de extracción en múltiples etapas con funcionamiento en
contracorriente para tratar 500 kg/h de un producto pulverulento de composición 20% en peso de aceite, 3% en peso de benceno y 77% de materia inerte. Como solvente se emplea benceno con un 2% en peso de aceite, y en el extracto ha de separarse el 90% del aceite contenido en la alimentación (R0).
Si se utilizan 400 kg de solvente, calcule: a) b) c) d) e)
La concentración del extracto La concentración de la solución retenida La cantidad de solución que se separa con los sólidos La cantidad de extracto El número de etapas teóricas
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De las experiencias realizadas en el laboratorio en condiciones análogas se ha encontrado que la cantidad de líquido retenida por los sólidos depende de la concentración del siguiente modo: Concentración
Solución retenida
Kg de aceite/kg de solución
kg solución/kg de sólido
0,0
0,40
0,1
0,41
0,2
0,42
0,3
0,43
0,4
0,45
0,5
0,47
0,6
0,49
0,7
0,52
14. Una harina de pescado contiene aceite que ha de extraerse con benceno operando en múltiples etapas en corriente directa.
Al sistema de extracción, que consta de tres etapas, entran 1000 kg/h de alimentación que contiene 40% de aceite; la cantidad de benceno empleada en cada etapa es de 750 kg/h. Calcule: a) b) c)
La composición global del Extracto. La concentración del refinado procedente de la última etapa. El porcentaje de aceite recuperado
Experimentalmente se ha encontrado que la disolución retenida por el sólido inerte es función de la composición de la disolución, de acuerdo con los siguientes datos:
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Concentración
Solución retenida
Kg de aceite/kg de solución
kg solución/kg de inerte
0,0
0,500
0,1
0,505
0,2
0,515
0,3
0,530
0,4
0,550
0,5
0,571
0,6
0,595
0,7
0,620
15. En una batería de extractores en contracorriente entra como alimentación un material que
contiene 15% en peso de soluto, 3% en peso de agua, y el resto es inerte. Se ha de recuperar el 94% del soluto, empleando agua como agente extractor, y la concentración del extracto separado ha de ser del 20% en peso del soluto. Calcule el número de etapas teóricas necesarias si la cantidad de solución retenida por los sólidos es independiente de la concentración e igual a 0,6 kg de solución por kilogramo de inerte.
16. Un mineral que contiene 12% en peso de una sal soluble, 6% en peso de agua y materia
inerte se somete a un proceso de extracción en contracorriente, empleando agua como solvente. Al sistema entran como alimentación 500 kg/h de mineral y 400 kg/h de agente extractor. Calcule el porcentaje de soluto recuperado si la cantidad de solución retenida en el refinado es constante e igual a 0,4 kg/kg de inerte.
17. Considere un sistema de múltiples etapas en contracorriente, al cual se alimenta una corriente R0, cuya composición en soluto es ( xs ) R0 , y la fracción de inertes es ( xI ) R0 ; si definimos f
( soluto) E1 ( soluto) R0
y la retención, r
como la relación D/I, demuestre que la
composición del soluto en el refinado es:
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( xs ) RN
( xs ) R0 *(1 f ) ( xs ) R0 *(1 f ) ( xI ) R0 *(r 1)
18. Considere un sistema de múltiples etapas en contracorriente, al cual se alimenta una corriente R0, cuya composición en soluto es ( xs ) R0 , y la fracción de inertes es ( xI ) R0 ; si definimos f
( soluto) E1 ( soluto) R0
y la retención, r como la relación (S+D)/I, demuestre que la
composición del soluto en el refinado es:
( xs ) RN
(1 f ) xs * r 1 xI R 0
19. Obtenga las expresiones para las coordenadas del punto:
P ( X P , NP ) Figura 13.29 1 y verifique los resultados determinando los valores numéricos en el caso del ejemplo en el caso del ejemplo 13.3ª
20. Para la recuperación máxima de Aceite de Soja, a partir de tortas semillas pre-prensadas, se proponen dos alternativas de extracción.
El material a tratar, viene en dos composiciones, debido a la diferente procedencia de las semillas:
A1
900 kg/h
40% Aceite
A2
600 kg/h
15% Aceite
El Refinado final (RN) con 1,25% de Aceite (S) (referido a la masa total de Refinado) se somete a un despojamiento con vapor sobrecalentado a 220º, para recuperar parte del solvente. Posteriormente 1
Operaciones de Transferencia de Masa Robert E. Treybal, McGraw-Hill, México, 1980. 2/e, pág. 833, 834.
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en un separador se retira toda el agua. El Solvente libre de Agua (ER) se mezcla con 500kg/h de Etilen Glicol puro (EN+1). El residuo que abandona el separador (RE) contiene 0,50% de Aceite y 0,1% de Solvente. PRIMERA ALTERNATIVA Mezclar los dos alimentos y someter la mezcla a extracción Sólido-Líquido con Etilen Glicol (E), en una operación en contracorriente. SEGUNDA ALTERNATIVA Introducir el Alimento más concentrado en la Primera Etapa y el menos concentrado en la Segunda Etapa. Usando la misma cantidad de Solvente y para la misma composición del Refinado a la salida (RN).
En las condiciones de extracción la cantidad de solución retenida por los sólidos inertes es función de la concentración de la solución, de acuerdo con los siguientes datos:
X
x
0,00
0,3226
0,15
0,2938
0,30
0,2606
0,40
0,2354
0,48
0,2133
0,58
0,1826
0,65
0,1588
D
Calcule:
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1. Número de etapas teóricas y % de Aceite recuperado para la primera Alternativa. 2. Número de Etapas teóricas para la Segunda alternativa. 3. Evalúe la mejor alternativa. Justifique su respuesta.
Ef = 500 kg/h ER
E1
EN+1 Ro
A1 MEZCLADOR
N - ETAPAS RN
A2
S D I
DESPOJADOR
R E Vapor sobrecalentado a 220oC RA Agua
21. Una batería de extracción en contracorriente se utiliza para extraer el lodo procedente de la reacción:2
Na2CO3 CaO H 2O CaCO3 NaOH
El CaCO3 lleva consigo 1,5 veces su peso de disolución al fluir de una etapa a otra. Se desea recuperar el 90% de NaOH. Los productos de la reacción entran en la primera etapa sin exceso de reactantes pero con 0,5 kg de H 2O por cada kilogramo de CaCO3 .
a) ¿Cuánta agua de lavado debe utilizarse por kilogramo de carbonato de calcio? b) ¿Cuál es la concentración de la disolución que sale de cada etapa, suponiendo que el CaCO3 es completamente insoluble? 2
Operaciones Unitarias en Ingeniería Química Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Peter Harriot Cuarta Edición, McGraw Hill © 1991
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c) Utilizando la misma cantidad de agua de lavado, ¿cuántas etapas es preciso añadir para recuperar el 99,5% de NaOH? Se ha encontrado que el lodo retiene una proporción de disolución que varía con la concentración en la forma que se indica en la tabla siguiente.
Si se ha de producir una disolución del 10% de NaOH, ¿cuántas etapas son necesarias para recuperar el 95% del NaOH? NaOH, peso %
0
5
10
15
20
Kg de solución/kg de CaCO3
1,50
1,75
2,20
2,70
3,60
22. Por determinadas razones, cierta batería de extracción trabaja en la forma que se representa en el esquema de más abajo. 3
El Alimento (F) que se ha de someter a extracción se envía en partes iguales (F/2) al extractor 1 y al extractor 3; el Alimento contiene 50% de materia extractiva (soluble) y 50% de producto inerte. El solvente (EN+1) es agua pura, y entra al sistema por el extractor 2 a igual velocidad que la alimentación total. En los diferentes contactos se producen suspensiones que contienen 1 kg de solución por cada kg de sólido inerte.
Calcule las composiciones en todas las partes del circuito que se indican en el esquema, si F= 1000 kg/h
3
Operaciones Básicas de la Ingeniería Química George Granger Brown Editorial Marín, Barcelona, pág. 315
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EN+ 1 E1 E2
E3 3
2
R3
F/2
1
R2
R1
F/2 ALIMENTACION, F
23. El Fenol usado en la fabricación de una resina plástica utilizada en la fabricación de Tarjetas Madres, se debe recuperar para cumplir los requerimientos de emisiones cero (ZERI).
Se propone utilizar una batería de extracción en contracorriente. Al sistema se alimentan 1000 kg/h de una resina plástica impregnada de Fenol y MEK. Esta resina tiene una composición de 50 % en peso de resina libre de solución, 48 % de Fenol y 2 % de MEK. Durante la extracción parte de la resina se destruye y es arrastrada en la corriente de los componentes livianos (Extractos), a razón de 0,065 kg de resina/ kg de solución. Las normas ambientales exigen que la corriente de refinado final ( RN ) no pueda contener más del 1,5% en peso de Fenol, referido a la masa total de la corriente. Como solvente se utiliza una corriente de MEK, con una composición de 99,5% de MEK y 0,5% de Fenol. Por costos se debe utilizar 2, 7 veces el solvente mínimo. Calcule a) b) c) d)
Número de etapas teóricas requeridas. % de Fenol recuperado Relación EN+1 / R0 Relación RN / E1
X
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,70
0,90
N
0,70
0,60
0,518
0,446
0,385
0,330
0,250
0,180
Firmado digitalmente por Crisóstomo Barajas Ferreira Nombre de reconocimiento (DN): cn=Crisóstomo Barajas Ferreira, o=Universidad Industrial de Santander, ou=Escuela de Ingeniería Química,
[email protected], c=CO Motivo: Certifico la precisión e integridad de este documento
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