Introducción a las operaciones de separación

EL EQUILIBRIO SÓLIDO-LÍQUIDO
El equilibrio sólido-líquido
Problemas
PROBLEMA 1*. A 10 kg de un sólido finamente dividido que contiene 60 % de inerte (B) y 40 %
de soluto (A), se le agrega solvente (C) puro para extraer el componente A en una etapa ideal.
Las experiencias realizadas para determinar el comportamiento de las fases sólido-líquido (fase pesada
- fase liviana) en equilibrio indican:
- La solución resultante es límpida (exenta de inerte).
- La masa de solución adherida al inerte es constante, dada por la relación masa de solución /
masa de inerte = 1.
Determinar:
(a) La cantidad mínima de solvente a agregar al sólido para obtener dos fases.
(b) La composición de las fases en equilibrio si la cantidad de solvente a agregar es de 10 kg.
PROBLEMA 2*. En un mineral de cobre recocido tratado con agua con el fin de extraer el cobre, se
observa que el inerte retiene una cantidad de agua constante e igual a 1,3 kg de agua/kg de inerte y la
solución que se separa no arrastra sólidos.
Trazar en un triángulo rectángulo las curvas de saturación correspondientes a la fase liviana (extracto)
y a la fase pesada (refinado).
PROBLEMA 3*. A partir de datos experimentales para la extracción de aceite de las semillas de soja
con benceno, se obtuvo que la relación de masa de solución a masa de inerte es de ½, siendo el
extracto totalmente límpido.
Un kg de benceno puro se mezcla con 1 kg de harina que contiene 50 % en peso de aceite. El refinado
se extrae nuevamente con 1 kg de benceno puro. ¿Qué cantidad de extracto y refinado se obtienen al
cabo de las dos etapas? ¿Qué porcentaje de aceite se recupera al final de la extracción?
PROBLEMA 4. A 400 toneladas de un mineral de cobre recocido que contiene 12 % en peso de
CuSO4 y 88 % en peso de inerte, se agregan 1 000 toneladas de agua. Se mantienen en contacto hasta
que el equilibrio es alcanzado, separándose a continuación las dos fases.
Si los inertes retienen 1,3 toneladas de agua por toneladas de inerte, y la fase liviana no arrastra
sólidos, ¿cuál es la composición de la solución clara?
Si las composiciones son referidas a componentes exentos de inerte determinar los valores de:
YA = masa de A / (masa de A + masa de C) y YC = masa de C / (masa de A + masa de C)
PROBLEMA 5*. Se desea tratar 1 000 kg /h de una pasta alimenticia que contiene 0,20 fracción
másica de aceite (A). El solvente que se utiliza son 662 kg/h de benceno puro. La temperatura y la
presión son constantes.
Calcular la concentración de extracto a la salida.
Problemas de Operaciones Unitarias II - 2013 – Ingeniería Química
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EL EQUILIBRIO SÓLIDO-LÍQUIDO
xA
0
0,0336
0,0682
0,1039
0,1419
0,1817
0,224
0,268
Refinado
xB
0,67
0,664
0,66
0,6541
0,6451
0,6366
0,6268
0,6172
xC
0,33
0,3024
0,2718
0,242
0,213
0,1817
0,1492
0,1148
Extracto
yB
0
0
0
0
0
0
0
0
yA
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
yC
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
PROBLEMA 6. Se va a preparar soda cáustica mediante el tratamiento de hidróxido de calcio con
una solución de carbonato de sodio. La suspensión resultante consiste en partículas de carbonato de
calcio suspendidas en una solución al 10 % de hidróxido de sodio tal que hay 0,125 kg sólido
suspendido por kg solución. Ésta se sedimenta; la solución clara de hidróxido de sodio se separa y se
reemplaza por un peso igual de agua y la mezcla se agita perfectamente.
Después de repetir este procedimiento (un total de dos lavados con agua fresca), ¿qué porcentaje de la
sosa original permanece sin recuperar y cuánto se pierde en el lodo? Trace el diagrama triangular y de
Janecke para el proceso.
Las características del equilibrio sólido líquido se muestran en la tabla (Armstrong y Kammermeyer,
Ind. Eng. Chem., 34, 1228, 1942):
XA = fracción en peso
de NaOH en la solución
clara
0,0900
0,0700
0,0473
0,0330
0,0208
0,01187
0,00710
0,00450
YB = kg CaCO3/kg
solución en el lodo
sedimentado
0,495
0,525
0,568
0,600
0,620
0,650
0,659
0,666
YA = fracción peso
NaOH en la sol. en el
lodo sedimentado
0,0917
0,0762
0,0608
0,0443
0,02795
0,0204
0,01435
0,01015
PROBLEMA 7. Un lodo de cristales de NaCl puros, NaCl en solución, NaOH en solución y agua, se
envía a un espesador a razón de 6000 kg/h. Ese lodo de alimentación contiene 45 % en peso de
cristales. Las fracciones en masa de la solución sin cristales son xNaCl = 0,1315, xNaOH = 0,1800 y xH2O =
0,6885. Se desea eliminar la soda cáustica lavando con una solución saturada de NaCl. El espesador
funciona de manera que los lodos contienen 80 % de sólidos (cristales) y 20 % de líquido. No hay
sólidos en el extracto. La solubilidad de NaCl en soluciones cáusticas se ve en la tabla (los valores de
y) (Brown et al., 1950). Los valores de x son específicos para esta operación, con 80 % de sólidos en
los lodos, siendo los cristales NaCl puro.
yNaOH
yNaCl
xNaOH
xNaCl
0,0
0,270
0,0
0,854
0,02
0,253
0,004
0,8506
0,04
0,236
¿?
¿?
0,06
0,219
¿?
¿?
0,10
0,187
¿?
¿?
Problemas de Operaciones Unitarias II - 2013 – Ingeniería Química
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EL EQUILIBRIO SÓLIDO-LÍQUIDO
0,14
0,156
¿?
¿?
0,18
0,126
¿?
¿?
(a) Complete la tabla (valores de x) y grafique las curvas de extracto (y) y refinado (x), en
fracciones másicas y en composiciones exentas de inerte.
(b) Si la alimentación se mezcla con 1200 kg/h de una solución saturada e NaCl (yNaCl = 0,27 e
yNaOH = 0) en el espesador, calcule los caudales de lodos y sobrenadante, las composiciones de esas
corrientes y el peso de los cristales en los lodos.
PROBLEMA 8*. Se ha de proyectar una instalación de extracción como se indica en el esquema,
para tratar 500 kg/h de un producto pulverulento de composición en peso 20% de aceite, 3% de
benceno y 77 % de materia inerte. Como solvente se emplea benceno con 2% de aceite en cantidades
iguales a la del aceite y benceno contenidos en la alimentación A.
De experiencias realizadas en laboratorio, en condiciones análogas a las de operación, se ha
encontrado que la masa de líquido retenida en los sólidos depende de la concentración según:
kg aceite/kg solución
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
kg solución retenida/kg sólido
0,40
0,41
0,42
0,43
0,45
0,47
0,49
0,52
Determinar las concentraciones de las corrientes que abandonan las etapas 1,2 y 3.
Los problemas marcados con un asterisco (*) deberán:
- Llevarse resueltos a la clase de problemas.
- Presentarse resueltos en la carpeta de Trabajo Prácticos de cada
alumno, al finalizar la asignatura.
Sitio web: http://www.herrera.unt.edu.ar/operacionesunitarias2y3
-fin-
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