PORTAFOLIO OPERACIONES UNITARIAS 3 EJERCICIO 1 Construir el diagrama de equilibrio isobárico xy para el sistema benceno-tolueno a 1 atm. Las constantes de Antoine para ambos compuestos se muestran en la tabla siguiente. Puede asumirse un comportamiento de gas ideal para la fase vapor, y de solución ideal para la fase líquida. componente número CAS Tb A B C ecuación

benceno 71-43-2 80.1 °C 3.98523 1184.24 -55.578 10log vap

BP A

T C

tolueno 108-88-3 110.6°C 4.05043 1327.62 -55.525 T en kelvin, Pvap en bar. Constantes adaptadas de Poling, Prausnitz y O’Connell, “The Properties of Gases and Liquids”, 5a edición, McGraw-Hill.

EJERCICIO 2 Consultar la base de datos de equilibrio L-V del Chemical Engineering Research Information Center para obtener los datos de equilibrio del sistema etanol – ciclohexano a 1 atm y en base a ellos construir los diagramas xy y Txy.

http://www.cheric.org/research/kdb/hcvle/hcvle EJERCICIO 3 Se van a destilar 5000 kg/h de una solución de acetona-agua que contiene 25% en peso de acetona. Se desea recuperar el 99.5% de la acetona en el destilado a una concentración de 99% en peso. Determinar el flujo molar y la composición (en fracción mol del componente más volátil) de la alimentación, el destilado y el producto de fondo. Determinar también el reflujo a la columna (en base molar), si la relación de reflujo externo es R = 1.8. EJERCICIO 4 Calcular las cargas térmicas (en MJ/h) del condensador y del rehervidor para la columna de destilación del ejercicio anterior. La alimentación entra como vapor saturado, y ambos productos se obtienen como líquidos saturados. Ignorar las pérdidas de calor al ambiente. Anexar copias de las fuentes bibliográficas de los datos termodinámicos requeridos, adecuadamente referenciadas. EJERCICIO 5 Considérese la destilación a 1 atm de una mezcla equimolar de benceno y tolueno para obtener un destilado 98% mol benceno y un producto de fondo 96% mol tolueno. La alimentación entra como una mezcla líquido-vapor (20% vapor). Aplicando el método de McCabe, determinar (A) el número mínimo de etapas teóricas, (B) el reflujo mínimo, (C) el número de etapas teóricas y la etapa de alimentación si

min1.3R R . RESPUESTAS: (A) 7 + rehervidor, (B) minR = 1.39, (C) 15 etapas + rehervidor, alimentación en la 9.

EEJERCICIO 6

RESPUESTAS: 9 etapas + hervidor, alimeentación en la

a etapa 6

EJERCICIO 7 Construir el diagrama entalpía-composición para el sistema acetona-isopropanol a 1 atm y usarlo para determinar la relación de reflujo mínimo requerida para separar una mezcla equimolar de acetona-isopropanol obteniendo productos con una composición 95% mol del componente correspondiente. EJERCICIO 8 Se desea destilar una corriente de benceno (60 kmol/h), tolueno (30 kmol/h) y xileno (10 kmol/h). La alimentación entra como líquido frío ( q = 1.25). El 99.5% del benceno de alimentación debe recuperarse en el destilado, junto con un máximo del 1% del tolueno de alimentación y nada de xileno. Las volatilidades (relativas al tolueno) son: benc = 2.58, tol = 1.00 y xil = 0.36. Determine el número mínimo de etapas teóricas, la relación de reflujo mínimo, y el número de etapas teóricas si min1.25R R . EJERCICIO 9 Debe separarse el 86% del amoniaco contenido en 500 m³/h de una mezcla de aire y amoniaco con una concentración del 8% en volumen. Para esto, se lava a 20°C y 1 atm de presión con agua que contiene una pequeña cantidad (0.5% mol) de amoniaco disuelto. Determinar la cantidad mínima de solvente si esta operación se realiza a contracorriente en una columna empacada, y determinar también la composición del líquido de salida si se emplea 1.5 veces la cantidad mínima de solvente. EJERCICIO 10 En una planta química se fabrica un cierto producto sólido que requiere el empleo de disulfuro de carbono (CS2) como disolvente. El solvente se remueve del sólido en un secador, donde se transfiere a una corriente de gas inerte (N2). La mezcla N2-CS2 se lava después isotérmicamente con un aceite líquido absorbente (mezcla de hidrocarburos) para eventualmente recuperar el CS2 mediante desorción. La mezcla gaseosa N2-CS2 tiene un flujo de 4.7 m³/min, se encuentra a 24°C y 1 atm y tiene una presión parcial de CS2 de 50 mmHg. Se va a reducir el contenido de CS2 del gas hasta 1% mol. A 24°C, la presión de vapor del CS2 es 347 mmHg. El aceite de absorción tiene un peso molecular promedio de 180 g/mol, y sus propiedades a 24°C son: viscosidad de 2 cP, densidad relativa de 0.81, tensión superficial de 30 dinas/cm. Se puede asumir que las propiedades del líquido no varían apreciablemente con la concentración de CS2 disuelto, para el rango de concentraciones de interés. El aceite que entra al absorbedor contiene un 0.2% peso de CS2 residual. La distribución en equilibrio del CS2 entre el aceite y el N2 sigue la ley de Raoult. La absorción va a llevarse a cabo isotérmicamente (24°C) e isobáricamente (1 atm) en una columna empacada con anillos Raschig de cerámica de 2 plg, con un flujo de solvente 1.5 veces el mínimo, y la caída de presión del gas no debe exceder 0.325 kPa/m de empaque.

(A) Calcular la relación mínima /S SL G (en kg líquido/kg gas) y el flujo de operación de líquido (en kg/h).

(B) Determinar el diámetro de la torre. (C) Utilizando los flujos promedio (entre la parte superior y la inferior), calcular los coeficientes de

transferencia de masa GF y LF . (D) Calcular la altura de la unidad de transferencia para el gas, el número de unidades de transferencia

para el gas, y la altura de la torre.

EJERCICIO 11 Se desea emplear éter isopropílico para extraer ácido acético de 25 kg de solución acuosa al 47% en peso. Empleando diagramas triangulares determínese: (A) La cantidad mínima de éter para que se puedan formar dos fases. (B) La masa de ácido acético extraída si la alimentación se trata en una sola etapa con 40 kg de éter. (C) La masa de ácido acético extraída si la alimentación se trata en cinco etapas en corriente cruzada, a cada una de las cuales se alimenta 8 kg de éter.

FASE 1 (ACUOSA FASE 2 (ORGÁNICA) Agua

% peso Éter

% peso Ácido

% peso Agua

% peso Éter

% peso Ácido

% peso 98.1 1.2 0.7 0.5 99.3 0.2 97.1 1.5 1.4 0.7 98.9 0.4 95.5 1.6 2.9 0.8 98.4 0.8 91.7 1.9 6.4 1.0 97.1 1.9 84.4 2.3 13.3 1.9 93.3 4.8 71.1 3.4 25.5 3.9 84.7 11.4 58.9 4.4 36.7 6.9 71.5 21.6 45.1 10.6 44.3 10.8 58.1 31.1 37.1 16.5 46.4 15.1 48.7 36.2

DATOS DE TREYBAL, “OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA”, McGRAW-HILL

EJERCICIO 12 Se va a extraer el alcohol de una solución acuosa al 30% empleando éter etílico puro. El flujo de alimentación es 350 kg/h, y el flujo disponible de éter es 370 kg/h. Empleando diagramas en base libre de solvente, determínese la cantidad de alcohol extraída (en kg/h) si la operación se realiza: (A) en una sola etapa ideal. (B) en cuatro etapas ideales empleando en cada etapa la cuarta parte del flujo de éter disponible. (C) en múltiples etapas ideales (determinar cuántas) a contracorriente. Los datos de equilibrio, en fracción peso, son:

FASE ACUOSA FASE ORGÁNICA Alcohol Éter Agua Alcohol Éter Agua

0.000  0.075 0.925 0.000 0.775 0.225 

0.100  0.077 0.823 0.090 0.740 0.170 

0.200  0.090 0.710 0.175 0.705 0.120 

0.310  0.095 0.595 0.250 0.670 0.080 

0.440  0.118 0.442 0.290 0.660 0.050 

0.530  0.150 0.320 0.310 0.655 0.035 

0.645  0.195 0.160 0.330 0.651 0.019 

0.750  0.250 0.000 0.350 0.650 0.000 DATOS TOMADOS DE CHOPEY, “HANDBOOK OF CHEMICAL ENGINEERING CALCULATIONS”, McGRAW-HILL

EJERCICIO 13 Se va a lixiviar con agua el sulfato de cobre de un mineral tostado, usando una cascada de extracción en contracorriente. Se procesarán 1000 kg/h de mineral que contiene 15% en peso de sulfato, 80% de ganga y 5% de humedad, y el flujo de agua será de 35 LPM. En cada etapa, los lodos retienen 0.8 kg de solución por cada kg de ganga. Los lodos finales deben contener máximo 0.2% de sulfato (en base seca). Se emplearán 2000 L. Determinar el número de etapas requeridas, así como las corrientes del sistema y sus composiciones, empleando: (A) diagrama triangular recto, y (B) diagrama en base libre de inerte.