1) Esquematizar en un diagrama de relaciones molares, suponiendo una curva de equilibrio, los siquientes intercambios de materia.

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1 UNIDAD 3 - GUIA DE PROBLEMAS Balances de materia, etapas, curvas de operación 1) Esquematizar en un diagrama de relaciones molares, suponiendo una curva de equilibrio, los siquientes intercambios de materia. a) Transferencia de R a E b) Transferencia de E a R (G a L) 2) En una transferencia de L a G se conocen los siguientes datos: curva de equilibrio Y-X, X1, Y0, Y3, Ls, Np=3. Indicar como calcularía Gs. Suponer etapas en contracorriente. 3) En una transferencia de G a L se conocen los siguientes datos: curva de equilibrio Y-X, Y0, X1, YNP, Ls, Gs. Indicar como calcularía el número de etapas en contracorriente necesarias para completar la separación. Qué sucedería si se usa una etapa menos?. Absorción 4) Se desea absorber un gas A de una mezcla con aire usando agua en contracorriente en una columna de platos. Se conocen los siguientes datos: Caudal de gas a procesar: G= 200 kmol/h Composición del gas: y= 5% en volumen Absorción deseada: 90 % de A Caudal de agua alimentada en el tope; L 1 =300 kmol/h Relación de equilibrio para las condiciones reinantes: y = 1.2 x

2 a) Determinar la concentración de salida del líquido b) Trace la recta de operación correspondiente al proceso c) Determinar el número de platos ideales necesarios Extracción líquido-líquido 5) La extracción a veces está gobernada por la reacción química con el agua. La extracción de penicilina (Pen) en acetato de butilo (BA) es un ejemplo. La penicilina es bastante ácida, y se disocia en agua según: PenH Pen - + H + Sólo la parte que no está disociada se disuelve en BA. Entonces podemos controlar el equilibrio variando el PH. La extracción de la penicilina se efectúa utilizando equipos tipo Podbielniak, con corto tiempo de residencia y enfriamiento, según el esquema: a) Ud. elegiría PH alto o bajo para la extracción? Y para la extracción reversa? b) Por qué utilizar este equipo tan caro? 6) 200 Kg de una mezcla de A y B que contiene una pequeña cantidad de S (28 % de A, 70% de B y 2% de S ) se somete a un proceso de extracción simple (una etapa) empleando como agente extractor una solución de S con un 5 % de B. Calcular: a) la cantidad de solvente necesaria para que la concentración del refinado sea del 10% en A. b) La concentración de extracto. c) Las cantidades de extracto y refinado.

3 Extracción sólido-líquido (lixiviación) 7) Se van a lixiviar con hexano 1000 Ton/día de granos de soja en láminas, para extraer el aceite de soja. Se alimentará una capa de 0.3 m de espesor de láminas (0.25 mm espesor de las láminas) en una banda sinfín perforada, que se mueve lentamente y que pasa bajo una serie de aspersores que operan en forma continua. Al pasar el sólido bajo cada aspersor, se rocía líquido que percola a través del lecho, se recoge en una tina debajo de la banda y se recicla mediante bombeo hasta los aspersores. El espacio entre los aspersores es tal que se deja que el sólido se drene durante 6 min antes de que llegue al siguiente aspersor. El disolvente también pasa de tina a tina a contracorriente con respecto a la dirección de movimiento del lecho, de modo que se mantiene una verdadera operación por etapas a contracorriente continua en la que cada aspersión y drenado constituye una etapa. Los experimentos muestran que después de los seis minutos de drenado las láminas retienen una cantidad de solución que depende del contenido de aceite de la solución, como sigue: % en peso de aceite en la sol kg sol. retenida/kg solido insoluble Se supondrá que la solución retenida tiene la misma composición que la miscela drenada. Las láminas de soja que entran contienen 20% de aceite y se van a lixiviar hasta 0.5% de aceite (en base libre de solvente). El flujo neto hacia adelante del disolvente será de 1 kg de hexano introducido como disolvente fresco por kilogramo de láminas; el solvente fresco no contiene aceite. Considere que la miscela percolada está libre de sólidos. Cuántas etapas se requieren?

4 Extracción supercrítica 8) [Examen 2009]: Se necesita extraer el 90% de la cafeína contenida (promedio 0.5%) en 2000 kg de granos de café durante 2 hs como máximo. Se decide trabajar en lecho fijo en régimen discontinuo, utilizando CO 2 supercrítico, según el esquema adjunto. Indique qué datos requeriría para encarar el diseño del equipo, qué experiencias de laboratorio o planta piloto lo más simple posible, realizaría para obtenerlos y cómo los procesaría para poder diseñar el equipo de extracción. Estime un conjunto de estos datos experimentales que considere a su criterio, factibles, cómo los procesaría para ser usados en un método de diseño del equipo citado. En base a dichos datos diseñe el equipo y determine las condiciones operativas necesarias para su funcionamiento. Diseñar significa, como mínimo, establecer los caudales de fluido, el tamaño del lecho (altura, sección), presiones y temperaturas. Considere que la cantidad de dióxido retenido por el sólido es constante. Destilación 9) Una mezcla de hidrocarburos contiene 15% (en moles) de n-pentano, 35% de n- hexano y 50% de n-heptano. Se la expande en un separador flash que opera a presión atmosférica. Calcular cuál es la temperatura óptima de operación de cada componente para maximizar su separación. Tip: Defina una función adecuada que calcule la eficiencia de separación de cada componente y utilice una planilla de cálculo para resolver gráficamente.

5 10) El caldo ( mash, beer o vino, en la jerga de la industria) de una fermentación de etanol contiene CO 2 disuelto. Esto puede perjudicar la destilación, por lo que es removido en una primera etapa de destilación flash. Calcule el contenido de CO 2 en cada corriente cuando se flashea a presión atmosférica y el vapor necesario para calentar el caudal de líquido en el intercambiador. Datos: Fracción molar inicial CO 2 x 0 = Caudal de líquido n F = 1000mols -1 Coeficiente de distribución K = 5000 (de CO 2 a 100 o C) 11) Cinco mil kilogramos por hora de una solución de metanol (A)-agua (B) que contiene 50% en peso de metanol a 26.7 º C se va a rectificar continuamente a 1 atm de presión para producir un destilado que contenga 95% de metanol y un residuo que contenga 1% de metanol (en peso). La mezcla de alimentación se va a precalentar mediante intercambio de calor con el residuo, el cual abandonara el sistema a 37.8 ºC. El destilado se va a condensar totalmente hasta un liquido y el reflujo se va a regresar en el punto de burbuja. El destilado obtenido se va a enfriar por separado antes de almacenarse. Se va a utilizar una relación de reflujo de 1.5 veces el mínimo. Utilice el método de McAbe-Thiele. Considere solución ideal. Determinar: a) la cantidad de los productos (destilado y residuo), b) la entalpía de la mezcla de alimentación y de los productos, c) la relación de reflujo mínimo, d) el número mínimo de platos teóricos e) la carga calorífica del condensador y del rehervidor (reboiler) para la relación de reflujo especificada. f) el número de platos teóricos para la relación de reflujo especificada y la cantidad de líquido y vapor dentro de la torre. Introducción a la simulación de procesos (COCO/Chemsep LITE). NOTA: Para los ejercicios de simulación es necesario instalar el software COCO ( y todos sus módulos complementarios, incluyendo Chemsep LITE (el programa de instalación se encarga de todo, sólo seguir las instrucciones). 12) Baje el archivo de trabajo del siguiente link: Abra el archivo en COCO. Este es un ejemplo simple de cálculo de destilación flash con tres alcoholes (metanol, etanol e iso-propanol).

6 Pruebe correr el caso de flash, con diferentes presiones, temperaturas, y composiciones de entrada. Utilice las herramientas Plot para obtener gráficos. De forma similar a lo hecho en el ejercicio 9), encuentre la temperatura óptima de flash para separar metanol a presión atmosférica, en las condiciones iniciales de alimentación. Casos de simulación (columnas destilación, absorción) en plantas de producción de etanol. 13) Una corriente de kg/h de CO 2 proveniente de los fermentadores del proceso de producción de etanol es venteada a la atmósfera. La misma contiene 2% en volumen de etanol. Diseñe un absorbedor ( scrubber ) de lecho relleno para recuperar el etanol, qué caudal de agua considera razonable? Cuál es la composición de etanol a la salida del scrubber y de la corriente de agua? Considere condiciones de operación a presión atmosférica y temperatura de la corriente gaseosa 35 C. El agua está disponible a 28 C. 14) Diseñe una columna de destilación (usando ChemSep LITE) para separar una alimentación de 10 mol/s de etanol y 89 mol/s de agua. Estos dos componentes forman un azeótropo de composición 0.89 molar en etanol a presión atmosférica (la composición del azeótropo cambian con la presión). El producto superior debe tener una composición cercana a la composición azeotrópica, el producto final en el fondo debe ser casi agua pura. Use los modelos termodinámicos DECHEMA/UNIFAC/Antoine/Excess. 15) El etanol obtenido por fermentación contiene trazas de gran número de componentes. Estos a menudo tienen que ser eliminados hasta niveles muy bajos, sobre todo para etanol de uso humano. No es siempre fácil. Con el objetivo de comprobar un caso más complejo, a la columna del ejercicio anterior, agregue trazas de 1-propanol (1 mol/s) a la alimentación. Vuelva a correr la simulación y dé una mirada a las composiciones. Por qué hay un máximo en la fracción de 1-propanol? Para ayudarse a responder mire los valores de K i y responda previamente las siguientes preguntas. a) Cuáles son los puntos de ebullición normales de etanol, 1-propanol, y agua? (Use la herramienta de búsqueda de componentes y seleccione cada componente según sus puntos de ebullición). b) Considera que una mezcla de etanol y 1-propanol es casi ideal o fuertemente no ideal? Por qué? c) Cree que una mezcla de 1-propanol y agua es casi ideal o fuertemente no ideal? Por qué? d) Cómo cree que puede poner a prueba sus respuestas a las preguntas 2 y 3? e) El 1-propanol de la parte de arriba de la columna (donde el etanol es el componente de mayor composición) está tratando de ir hacia arriba o hacia abajo? Por qué? f) El 1-propanol de la parte de abajo de la columna (donde el agua es el componente de mayor composición) está tratando de ir hacia arriba o hacia abajo? Por qué? Después de algún tiempo el 1-propanol se puede acumular en el medio de la columna y puede causar todo tipo de problemas. Podemos evitar esto quitando el

7 propanol con una corriente lateral. Rediseñe la columna para quitar todo (o casi todo) el propanol con una corriente lateral. Al mismo tiempo trate de maximizar la concentración de propanol en la extracción lateral (que puede ser mucho más alto que en la alimentación). 16) En el diagrama a continuación, se muestra la separación del azeótropo etanol-agua con membrana para obtener etanol con más de 99% de pureza. Baje el caso correspondiente de: El programa no contiene la operación correspondiente a la separación por membrana, la misma debe ser generada en forma externa, por medio de un módulo generado en otra aplicación (Excel, Scilab, Matlab, etc.). El objetivo del ejercicio es familiarizarse con esta herramienta. Siga las instrucciones del artículo Using Chemsep, COCO and other modeling tools for versatility in custom process modeling disponible en la misma página del sitio para generar el módulo en la aplicación que más le interese o resulte conveniente. Fuentes: Operaciones de Transferencia de Masa 2 da Edición, Treybal RE (1980) Perry s Chemical Engineer s Handbook 6 th Edition (1999) Downstream Processing in Biotechnology, Wesselingh J.A., Krijgsman J. (2013) Chemsep book 2 nd Edition, Kooijman HA, Taylor R (2006) Sitio web (2013)