Ejercicios de extracción líquido – líquido 1.- En un proceso industrial de extracción líquido – líquido con múltiples etapas en contracorriente, se procesan 5000 lb/hr de una solución acuosa de ácido acético al 40 % peso de ácido con la finalidad de recuperar como mínimo un 92 % del ácido acético. Como solvente se utiliza éter isopropílico puro en una cantidad igual a 2.15 veces la cantidad mínima. Calcular: a) El número de etapas ideales necesarias Primero localizamos los puntos F y B en el diagrama. Queremos una recuperación del 92%, así que suponemos que en R N habrá 2.5% de C. Entonces trazamos Pmin para luego trazar una línea de E min a RN y la c intersección con la recta FB, tenemos Mmin, siendo x Mm=0.1889 . Entonces la cantidad mínima de disolvente es: 5000( 0.4−0.1889) B min = =5587.6125 kg 0.1889 Por lo tanto,
B=2.15 ( 5587.6125 )=12013.367 kg
Calculando el punto M: ´ FM 12013.367 = =0.706 ´ 17013.367 FB ´ =0.706 ( 18.6 cm )=13.13 cm FM Localizamos el punto M en el diagrama, luego trazamos la recta
RN´ E 1
que pasa por RN y M. Hallamos el punto P con la intersección de la recta ´1 RN´ B y FE Comprobando que cumplimos con la recuperación: E1´M RN 2 cm = = ´ E 1 R N 17013.367 14 cm RN =2430.481
lb h
E1=14582.886 lb /h
C
C
%recup=
F x F −R N x N ∗100 C F xF
%recup=
0.4 ( 5000 )−0.025(2430.481) ∗100=96.96 0.4(5000)
Procedemos a realizar los trazos correspondientes en la gráfica obteniendo un proceso de 6 etapas. b)
Flujos y composiciones del extracto y del refinado
Las composiciones de cada etapa se muestran en la siguiente tabla: Etapas 1 2 3 4 5 6
REFINADO A B 0.683 0.036 0.783 0.028 0.854 0.022 0.911 0.019 0.945 0.015 0.9625 0.0125
C 0.281 0.189 0.124 0.07 0.04 0.025
EXTRACTO A B 0.045 0.821 0.0295 0.89 0.0955 0.937 0.007 0.969 0.0065 0.981 0.001 0.994
Los flujos se obtienen por un balance de energía. F+ E 2=R1 + E1 E2−R1 =E1−F E2−R1 =9582.886 0.0805 E2−0.281 R1=−45.8933 E2=13659.273
lb h
R1=4076.387lb/ h E3−R 2=9582.886 0.048 E3−0.189 R2 =−45.8933
C 0.134 0.0805 0.048 0.024 0.0125 0.005
E3=13170.6295
lb h
R2=3587.7435 lb /h E4 −R3=9582.886 0.024 E 4−0.124 R 3=−45.8933 E4 =12341.7116
lb h
R3=2758.8256 lb /h E5−R 4=9582.886 0.0125 E5−0.07 R 4=−45.8933 E5=12 464.266
lb h
R4 =2881.3804 lb/h E6−R 5=9582.886 0.005 E6−0.04 R5=−45.8933 E6=12263.1068
lb h
R5=2680.2208 lb /h
c) Flujos y composiciones de los productos extraído y refinado PRODUCTO REFINADO A B C 0.9745 0 0.0255
PRODUCTO EXTRAÍDO A B C 0.268 0 0.732
2.- En un proceso industrial de extracción líquido – líquido con cuatro etapas en contracorriente, se procesan 2575 kg/hr de una solución acuosa con 55 % peso de acetona, con la finalidad de recuperar el 95 % de la acetona. Como solvente se utiliza benceno puro. Calcular: a) La cantidad de benceno a utilizar b)
Flujos y composiciones del extracto y del refinado en cada etapa
c) Flujos y composiciones de los productos extraído y refinado finales, utilizando regla de la palanca y balances de materia, no ajustando composiciones Flujo Corriente (kg/hr) Acetona H2O F 2575 55% 45% 1416.25 1158.75 kg/hr B
¿¿¿¿¿???? Benceno puro
Recuperación Acetona 95%
1345.43 75 Kg/hr
Dado que A y B son inmiscibles
R4 H2o Acetona
1229.56 25 kg/hr 1158.75 kg/hr 70.8125 kg/hr
94.24% 5.76%
Para el diagrama xF' x4' y0'
A/B = a)
B=
1.22222 22 0.06111 11 0 0.81967 21 1413.6 75 Kg/hr
<----Benceno a utilizar
Para la determinación de las composiciones de extracto y refinado de cada etapa se leen en el diagrama. REFINAD Acetona Agua O Para refinados (C/A) kg/hr kg/hr Acetona H2O x3' 0.13 150.6375 1158.75 11.50% 88.50% R3 x2' 0.25 289.6875 1158.75 20.00% 80.00% R2 x1' 0.49 567.7875 1158.75 32.89% 67.11% R1
Para extractos (C/B) y4'
0.95
y3' y2' y1'
0.35 0.16 0.06
b)
Acetona
Benceno
EXTRACT O
kg/hr 1342.991 25 494.7862 5 226.188 84.8205
Kg/hr
Bencen Acetona o
1413.675
48.72%
51.28% E4
1413.675 1413.675 1413.675
25.93% 13.79% 5.66%
74.07% E3 86.21% E2 94.34% E1
Tabla de resultados
Flujo Corriente kg/hr Acetona Agua F 2575 55.00% 45.00% 1726.53 R1 75 32.89% 67.11% 1448.43 R2 75 20.00% 80.00% 1309.38 R3 75 11.50% 88.50% 1229.56 R4 25 5.76% 94.24% Corriente kg/hr Acetona Benceno 1413.67 B 5 0.00% 100.00% 1498.49 E1 55 5.66% 94.34% 1639.86 E2 3 13.79% 86.21% 1908.46 E3 13 25.93% 74.07% 2756.66 E4 63 48.72% 51.28%
3.- En una batería de extracción líquido – líquido en contracorriente, formada por mezcladores – sedimentadores, se va a tratar 3750 kg de una solución formada por 35 % peso de ácido acético y 65 % de agua. Como agente extractor se utilizará éter isopropílico puro a 22 °C. Se desea obtener un refinado que no contenga más del 6 % en peso de ácido acético, utilizando para ello una cantidad de éter isopropílico, tal que la relación de flujo de solvente a flujo de alimentación sea 1.75 veces el valor mínimo. Calcular: a) Número de etapas ideales necesarias. Primero localizamos los puntos F y B en el diagrama. En R N habrá 6% de C o menos. Entonces trazamos Pmin para luego trazar una línea de Emin a c RN y la intersección con la recta FB, tenemos Mmin, siendo x Mm=0.156 . Entonces la cantidad mínima de disolvente es: 3750( 0.35−0.156) B min = =4663.46 kg 0.156 Por lo tanto,
B=1.7 5 ( 4663.46 )=8161.0577 kg
Calculando el punto M: ´ FM 8161.0577 = =0. 6 852 ´ FB 11911.057 7 ´ =0.6852 ( 18.4 cm) =12.6 cm FM Localizamos el punto M en el diagrama, luego trazamos la recta
RN´ E 1
que pasa por RN y M. Hallamos el punto P con la intersección de la recta ´1 RN´ B y FE Calculando la recuperación: E1´M RN 11.65 cm = = E 1´R N 11911.0577 14 .3 cm RN =9703.7638
lb h
E1=2207.2939 lb /h
%recup=
F x CF −R N x CN ∗100 F xCF
%recup=
0.35 ( 375 0 )−0.06(9703.7638) ∗100=55. 6 4 0.35(375 0)
Procedemos a realizar los trazos correspondientes en la gráfica obteniendo un proceso de 5 etapas.
b) Flujos y composiciones de todas las corrientes del proceso. Las composiciones de cada etapa se muestran en la siguiente tabla: Etapas 1 2 3 4 5
REFINADO A B 0.702 0.035 0.77 0.028 0.832 0.024 0.8997 0.019 0.9213 0.0187
C 0.263 0.202 0.144 0.0813 0.06
EXTRACTO A B 0.042 0.835 0.0287 0.89 0.014 0.931 0.011 0.9625 0.006 0.9875
Los flujos se obtienen por un balance de energía. F+ E 2=R1 + E1 E2−R1 =E1−F E2−R1 =−1542.7061 0.0813 E2−0.263 R1=−1041.00285 E2=3496.26387
lb h
R1=5038.96997 lb/h E3−R 2=−1542.7061
C 0.123 0.0813 0.055 0.0265 0.0065
0.055 E3−0.202 R2=−1041.00285 E2=4961.74299
lb h
R2=6504.44909 lb/h E4 −R3=−1542.7061 0.0265 E4 −0.144 R3=−1041.00285 E4 =4 384.28573
lb h
R3=56 8 4.58412lb /h
c) Flujos y composiciones de los productos extraído y refinado. PRODUCTO REFINADO A B C 0.938 0 0.062
PRODUCTO EXTRAÍDO A B C 0.275 0 0.725
d) Porcentaje de recuperación logrado. %recup=
F x CF −R N x CN ∗100 F xCF
%recup=
0.35 ( 3750 )−0.06(9703.7638) ∗100=55.64 0.35(3750)
7-10. Para separar la piridina contenida en 500 kg de una disolución acuosa de concentración 30% en peso de piridina se extrae con clorobenceno a 25°C en
un sistema de extracción de tres etapas en corriente directa, empleando 150 kg de clorobenceno en cada etapa. Calcúlese: a) La cantidad total de producto extraído b) La composición global del extracto c) El porcentaje de piridina extraída
7.7 En un proceso de fabricación se obtiene una mezcla acetona-acetato de etilo de composición 30% en peso acetona. El acetato de etilo ha de retornar al proceso después de separarlo parcialmente de la acetona por extracción con agua a 30°C. Si la separación se verifica empleando solamente una etapa de extracción, calcúlese: a) La cantidad necesaria de Agua si la concentración del extracto ha de ser 15% en peso de acetona. b) La concentración máxima del producto extraído. c) La cantidad de agua necesaria para que la concentración del producto extraído sea máxima. (Datos de equilibrio en Ejemplo 7.7). 1. Se localiza la linea de reparto que corresponda para un 15% de acetona 2. Se traza la linea FB y se marca el punto M (intersección con RE). Con regla de la palanca FB 16.5 cm FM 7.1 cm B.C.
F
1 kg
FM/FB=B/(B+F) a)
B
kg/kg de 0.75531915 alimentación
b)
Se traza la recta tangente del punto B a la curva bimodal Esta recta se prolonga hasta la línea de Acetona-Acetato de Etilo Se lee la composición y 0.64
c)
FM
5.4 cm kg/kg de 0.48648649 alimentación
B=
7.12 300kg de una disolución acuosa de acetona de composición 20% en peso de acetona se somete a un proceso de extracción por etapas en corriente directa, empleando como agente extractor una mezcla acetona-tricloroetano a 25°C de composición 1% en peso de acetona. Calcúlese: página 104 (200) a) La cantidad necesaria de agente extractor para reducir al 2% la concentración de acetona en el refinado, si el proceso se realiza en cuatro etapas y se emplea la misma cantidad en cada etapa. b) La composición global del extracto. c) La cantidad del agente extractor y la composición global del extracto si el proceso se realiza en una etapa y la concentración de acetona en refinado es del 2%. d) El número de etapas empleando la misma cantidad de agente extractor en cada etapa, siendo la cantidad total empleada de 1000 kg. Caso especial F Acetona H20
B
R4
300 kg 60 240
?????
?????
Punto inicial xF' 0.25 0.010101 yB' 01
Acetona 20%
kg
Acetona 1%
kg
Acetona 2%
Punto final X4'
0.020408 163
DX DY
Pendiente que ajusta a las 4 etapas -1.5 B 160 kg Agente extractor total utilizado en -0.05 cada etapa 0.075 Btotal 640 kg
b)
Composición global del extracto
a) A/B
C/B y1 y2 y3 y4
0.205 0.102 0.055 0.032
yc
Tricloroeta Acetona no Total kg kg kg 32.8 160 16.32 160 8.8 160 5.12 160 63.04
192.8 176.32 168.8 165.12 703.04
E1 E2 E3 E4
0.08966 773
c) -
A/B B yc
0.086956 52 2760 kg 0.02284 058
d) (-)A/B DX Dy
0.24 0.05 0.012
Del diagrama se determina el # de etapas n
2 etapas
Nota.-Puede considerarse que el agua y el tricloroetano son prácticamente inmiscibles hasta concentraciones de 27% en peso de acetona en agua, siendo el coeficiente de distribución constante e igual a 1.65.
7.21 300 kg/h de una disolución de los componentes A y C que contiene 40% en peso del componente C, se tratan con 350 kg/h de una disolución cuya composición es: 1% de A, 92% de B y 7% de C, en un proceso de extracción continúo en contracorriente. Calcúlese: a) El número de etapas teóricas necesarias si la concentración del producto refinado es de 8% en peso del componente C. b) La concentración mínima que puede alcanzarse en el producto extraído trabajando en las condiciones indicadas. Los datos de equilibrio para este sistema en las condiciones de operación son los siguientes, para extremos de rectas de reparto.
Fase del refinado
Fase del extracto
C
B
C
B
0
0
0
100
7
0.5
13
85
16
1.0
26
67
26
4.0
39
44
32
7.0
41
26
1. Se localizan los puntos F y B para trazar la recta FB. 2. Se localiza el punto M. F 300 kg/h B 350 kg/h FM/FB=B/(F+B) FB FM/FB FM
15 cm 0.53846154 8.07692308 cm
3. Se localiza el punto xn = 0.08 4. Se prolonga una recta de RnM hasta la linea bimodal (este sera el extracto 1).
5. Con F, E1, Rn y B se localiza el punto P. a) 6. Se trazan las etapas n b)
2 etapas
Con el refinado desado se busca el extracto correspondiente Este se une con el punto B y se prolonga hasta CA Se lee la composición yn 0.78
7.29 La acetona contenida en una disolución acuosa se extrae en una instalación en contracorriente que consta de cuatro etapas teóricas, empleando metil-isobutil-cetona (MIC) a 30°C como disolvente. A la instalación entran 2000 kg/h de disolución de concentración 35% en peso de acetona y 2500 kg/h de MIC. Calcúlese: página 89 (170). a) Las composiciones del refinado y del extracto. b) Las cantidades de refinado y extracto. c) La cantidad horaria de acetona que pasa al extracto. d) La composición del producto extraído. (Los datos de equilibrio se dan en el ejemplo 7.19). Ejercicio 7.29
F
2000 kg/h
B
2500 kg/h
Acetona 35%
Se localizan el punto F y el B en la gráfica Se localiza el punto M, con regla de la palanca. FB 15.8 cm 0.555555 FM/FB 56 8.77777 FM 778 cm Se supone R4 x4
0
Realizando las etapas, se obtienen las 4, y se obtienen los siguientes resultados: x4 y4
0.001 0.0075
