Guía de Problemas N°18: Líquido-Líquido (con reflujo, e n torres rellenas) 1.- 100 kg/h de una solución de aceite de semilla de algodón (ASA) - ácido oleico (AO) que
EXTRACTO
contiene 25% de ácido se va a separar en forma continua en productos que contengan 2 y 90% de ácido (composiciones libres de disolvente) por extracción a contracorriente con propano. Realizar los siguientes cálculos en coordenadas N vs X,Y. a) ¿Cuál es el número mínimo de etapas teóricas requeridas? b) ¿Cuál es la mínima relación externa (extracto/reflujo) requerida? c) Para una relación externa (extracto/reflujo) de 4.5, calcular el número de etapas teóricas, la posición de la etapa de alimentación y las cantidades (en kg/h) de las siguientes corrientes: E1, BE, E’, R0, RNP, P’E y S. d) ¿Qué indican los datos de equilibrio con respecto a la máxima pureza del ácido oleico que puede obtenerse? Datos de equilibrio (% en peso):
= 100 ℎ : SDS
= 0.25 0.25 : ′ ′ ⟵ 1, 1
1 = 0.9 : 1
1, 1 ⟶ ⟵ 2, 2
= 0.02 0.02
2
2, 2 ⟶ ⟵ 3, 3
REFINADO
ASA
AO
PROPANO
ASA
AO
PROPANO
2.30
0
97.7
63.5
0.0
36.5
1.95
0.76
97.3
57.2
5.5
37.3
1.78
1.21
97.0
52.0
9.0
39.0
1.50
1.90
96.6
46.7
13.8
39.5
1.36
2.73
95.9
39.8
18.7
41.5
1.20
3.80
95.0
31.0
26.3
42.7
1.10
4.40
94.5
26.9
29.4
43.7
1.0
5.10
93.9
21.0
32.4
46.6
0.8
6.10
93.1
14.2
37.4
48.4
0.7
7.20
92.1
8.3
39.5
52.2
0.4
6.10
93.5
4.5
41.1
54.4
0.2
5.50
94.3
0.8
43.7
55.5
…
+1, +1 ⟶ ⟵ ,
Np
, ⟶ ⟵ ,
a) Para obtener el número mínimo de etapas, se considera reflujo total, entonces las líneas de operación se hacen verticales.
→ ∞ = 5 b) Mínima relación de reflujo (∞ etapas) = = − = 54.162 − 12.12 = 3.47 3.47 12.12
La mínima relación es 3.74. c)
= = − = 4.5
= + 4.5 4.5 = 12.1 12.12 2 + 4.5 4.5 ∙ 12.1 12.12 2 = 66.6 66.66 6 = 11 El plato de alimentación es el 4.
+ = ′ = + + = = + = + = + − 0.9) − = 100 (0.25 − 0.9) = = 73.9 73.9 ℎ (0.02 − 0.9) ℎ 0.9) − (1 + 0.58) = 116. = 1 + = 73.9 73.9 116.8 8 ℎ ℎ
= − = 100 ℎ − 73.9 ℎ = 26.1 ℎ = = 4.5 = 4.5 = 4.5 ∙ 26.1 ℎ = 117.45 ℎ = = Δ → = = = 26.1 ℎ 66.66 = 1740 ℎ 1 = + = 117.45 ℎ + 26.1 ℎ = 143.55 ℎ 1 = 1(1 + ) = 143.55 ℎ (1 + 12.12) = 1883.4 ℎ 1 = 1 + = 1883.4 ℎ − 143.55 ℎ = 1740 ℎ = + + − = 1740 ℎ + 26.1 ℎ + 116.8 ℎ − 100 ℎ = 1783 ℎ
d) Un punto de inflexión en la curva de extracto limita la pureza máxima a obtener, es equivalente a tener un azeótropo en la destilación.
2.- Una fábrica desea extraer en forma continua y en contracorriente con anilina (B) una solución de 60% en peso de metilciclohexano (MCH) y 40%
en peso de n-heptano (A). Para este proceso se dispone de una batería de 4 extractores-decantadores con un diseño caudal solvente / caudal de alimentación = 5. a) Determinar los caudales por unidad de caudal de alimentación y las concentraciones de las corrientes de salida de la batería. b) El jefe de la planta desea que la composición del producto extraído sea como mínimo 0.8 y la del producto refinado igual o menor que 0.4, pero no quiere comprar más extractores. b1) b2) b3)
¿Será posible alcanzar dichas composiciones si se usa una relación de reflujo de extracto = 2? Si es posible, determine la relación S/F a emplear y los caudales de producto extracto y producto refinado referidos al caudal de alimentación. Si no es posible, indique que variables modificaría para obtener las purezas deseadas.
Las composiciones correspondientes a las líneas de unión a 25°C son:
MCH 0 9.2 22 40.9 59.7 71.6 83.3 88.1
REFINADO n-heptano 92.6 83.1 69.8 50.4 30.7 18.2 5.4 0.0
⟶F ⟵ 1, 1 F,
Se toma como base de cálculo batería de extractores.
1
1, 1 ⟶ ⟵ 2, 2
2
EXTRACTO n-heptano 6.2 6 5.1 4 2.8 1.6 0.6 0
MCH 0 0.8 3 6 9.2 12.7 15.6 16.9
=5
= 4
= 0.6
anilina 7.4 7.7 8.2 8.7 9.6 10.2 11.3 11.9
anilina 93.8 93.2 91.9 90 88 85.7 83.8 83.1
: − ℎ 2, 2 ⟶ ⟵ 3, 3
: , ⟶ 4 ⟵ ,
3, 3 ⟶ ⟵ 4, 4
3
:
_
= 1 ⁄ℎ, por lo tanto = 5 /ℎ. Se entiende también que = 0, es decir que la anilina ingresa pura a la
1, 1, , para ello se trabaja con un diagrama N vs. XY, donde: = + = + = +
Se quiere conocer
= +
+ 0= = + 1
→
= ′
Balance para C:
+ 0=
→
Balance para B:
+0 = 0∞ = =
→
= = = ′ = 5
Balance de masa global libre de solvente:
Se ubica entonces el punto M, considerando que
= 5 y que = = 0.6
→
= ( ; ) = (0.6;5)
Para obtener las composiciones y corrientes de salida, dado que el número de incógnitas es mayor que las ecuaciones obtenidas de los balances, se necesita de un ciclo de iteración:
→ se lee 1 con 1 y se obtiene � � Se prolongan las rectas 1 y hasta cortarse, cuando esto sucede queda determinado el punto Δ Δ = − 1 = − Alternando líneas de unión y de construccion se halla , si este valor es igual a 4 → FIN DE ITERACION, sino continua. Se supone
1
→
↑∞
4
3 2 1
3 2 1
Δ
1 = 0.71
1 = 0.71 = 0.41 = + 1 = + 11 = ( − 1) + 11 = − 1 + 11 − (0.6 − 0.41) 1 = − = 1 ℎ (0.71 = 0.63 − 0.41) ℎ 1 = 1 ℎ − 0.63 ℎ = 0.37 ℎ 1 = 11 + = 0.63 ℎ (1 + 7.85) = 5.57 ℎ = + − 1 = 1 ℎ + 5 ℎ − 5.57 ℎ = 0.43 ℎ 1 0.63 1 1 1 = 11 → 1 = 1 = ℎ 0.71 = 0.08 5.57 ℎ = → = = 0.37 ℎ 0.41 = 0.35 0.43 ℎ 1 = 0.08 1 = 5.57 ℎ = 0.43 ℎ Finalmente se obtiene:
b)
1 = 0.8
Con el grafico se ubica
= 0.4 1 = 0.8 y se lee 1
= 4 = 6.9575
Luego, como
= 0.35
= 2 = − = 2
= 2 + = 3 = 3 ∙ 7 = 20.89 Con este dato y el hecho que = = 0.8, se puede ubicar Δ . Ubicado este, se puede ubicar Δ, porque: + = + = Δ + Δ Es decir, que Δ , Δ y están alineados. Entonces, con Δ , Δ y alternando con líneas de unión puede encontrarse el valor de . = 0.48 Como 0.48>0.4, no el posible alcanzar la composición pretendida con un reflujo de 2.
y como la alimentación es constante, disminuye . Esto genera una disminución b3) Si se aumenta la relación de reflujo externa, aumenta en el número de etapas requerido, lo que permitiría alcanzar la composición deseada con la batería de extractores existente. Purificar el solvente de extracción (en este caso no tiene sentido pues se trabaja con solvente puro) Comprar mas extractores-decantadores.
Δ
Δ
Δ
= 20.89
4
3 2
Δ
3
2
1
1 1 = 0.8
3
3
3
3.- Se extraerán en contracorriente 0.68 m /h de agua (A), conteniendo 0.32 kmol de dietilamina (C)/m con 0.7845 m de tolueno (B)/hora a 303.8
K, de manera de eliminar el 90% de la dietilendiamina. Determinar la altura y el diámetro necesarios de una torre rellena con anillos de porcelana sin vidriar de 0.025 m, operada a una velocidad del 50% de la de inundación. Las densidades y las viscosidades de los líquidos pueden tomarse como las del agua pura y del tolueno, estimándose la tensión interfacial en 0.03 Nw/m. A 303.8 K el coeficiente de distribución concentración de agua a la entrada : 1.156 concentración de tolueno a la entrada Los valores de HtOR se obtienen de la Fig 10.61 y los parámetros de inundación de la figura 10.10, ambas de Treybal 1ra. Edición.
3 = 0.68 ℎ
= 0.32 3
3 = 0.7845 ℎ
= 303.8
= 0.1
Torres rellenas para extracción de líquidos.
Subíndices: C = fase continua (refinado) D: fase dispersa (residuo)
= 0.03
LIXIVIACION EN ETAPAS 4.- El bario, que se encuentra naturalmente como sulfato de bario (BaSO4), se lleva a la solubilidad con agua, por calentamiento con hulla,
reduciendo el sulfato a sulfuro (BaS). Se lixiviará con agua la mezcla de reacción resultante (llamada “ceniza negra”), que contiene 65% de BaS soluble. Se alimentará un molino de tubos con 100 toneladas de de ceniza negra por día, junto con el derrame del segundo de una cascada de espesadores, alimentando el efluente del molino al primer espesador. Se disolverá todo el Ba en el molino. La solución concentrada derramada del primer espesador contendrá 20% de BaS en peso. Cada espesador entregará un lodo conteniendo 1.5 kg líquido/kg sólido insoluble. Se puede suponer que la solución del derrame y el lodo que deja cada espesador contienen la misma concentración de BaS. Se desea mantener la pérdida de BaS en el lodo final en un máximo de 2 kg/día. a) Calcular el número de espesadores necesarios. b) Se desea pasar el lodo lixiviado final a un filtro continuo, donde el contenido de líquido de los sólidos filtrados se reducirá a 15% en peso. El filtrado retornará al último espesador, pero no podrá lavarse la torta filtrante. ¿Cuántos espesadores se necesitarán entonces?
= 100
65%
2 con 20%
= 1.5
<2
9
