PROCESOS DE SEPARACIÓN

Separación por agente másico

PROBLEMA Nº 1

Se utilizan 200 g de furfural para remover etilenglicol de 100 g de una mezcla forma-
da por 45% en peso de etilenglicol y 55% en peso de agua.
a) Mediante el diagrama triangular adjunto, indique cuántas fases se forman
cuando se mezcla el furfural con la corriente de proceso.
b) Utilizando el diagrama triangular, determine las composiciones de cada co-
rriente de salida.
c) Calcule los caudales de extracto y refinado.

Extracto

Corriente de
Refinado
proceso
 Etilenglicol
 Agua

Solvente
 Furfural
Guía 5 Separación por agente másico

PROBLEMA Nº 2

Se desea eliminar el fenol contenido en una corriente acuosa mediante extracción

con benceno puro. La concentración inicial de fenol es de 0.05 mol/lt y se quiere
extraer el 95% del fenol.
a) ¿Cuál es el caudal mínimo de benceno requerido, si se utiliza una disposición de
flujo cruzado?
b) Si se utiliza un caudal de benceno el doble que el mínimo. ¿Cuál es el número de
etapas de flujo cruzado requerido?
Datos: el coeficiente de distribución del fenol entre las fases benceno y la fase
acuosa es 2.3 (las concentraciones expresadas en moles/lt). Expresar los resultados
sobre la base de 100 lts de solución acuosa por hora. El agua y el benceno pueden
considerarse totalmente insolubles.

PROBLEMA Nº 3

El descubridor de la bacitracina (H.S. Anker y col., J. Bacteriology, nro. 55, p. 249,

año 1948), informó lo siguiente con respecto a su concentración:
“... se encontró imposible extraer la bacitracina del cultivo acuoso mediante los sol-
ventes orgánicos habituales, tales como éter, cloroformo, acetona o acetato de etilo.
Sin embargo, a 28 °C, un 89% de la bacitracina fue extraído con alcohol butílico
normal (n-butanol). El cultivo es extraído dos veces, con la mitad de volumen de n-
butanol en cada extracción. El butanol es entonces decantado...”
Butanol conteniendo el 89%
de la bacitracina del cultivo

Cultivo
L Cultivo agotado
ETAPA 1 ETAPA 2

Butanol Butanol
V = L/2 V = L/2

a) Calcular el coeficiente de distribución (K) de la bacitracina entre butanol y agua, a

28 °C.
K = Cbutanol/Cagua (C: moles de bacitracina/litro de solución) (ver esquema)
b) Si un 99% de la bacitracina debe ser extraída del medio de cultivo, compare las
relaciones volumétricas mínimas requeridas para un esquema de flujo cruzado y
otro en contra corriente, si se dispone de:
I. una etapa teórica a flujo cruzado;
II. dos etapas teóricas a flujo cruzado;
III. infinitas etapas teóricas a flujo cruzado;
IV. infinitas etapas teóricas a contracorriente.

2
Procesos de Separación 2020

Nota: Las soluciones son ideales y las fases líquidas pueden asumirse inmiscibles a
28 °C. Indique claramente en qué parte del cálculo utiliza estas suposiciones en la
resolución del problema.

PROBLEMA Nº 4

Se tratan 2000 kg/h de alcohol butílico (C) impurificado con 1% de una sustancia A,
con 400 kg/h de solvente B conteniendo 0.1% de A, a los efectos de recuperar la
sustancia A de la solución alcohólica C. El alcohol y el solvente B son prácticamente
insolubles y la relación de equilibrio de A entre ambas fases es:

( ) ( )

No se ha decidido que configuración de flujo emplear, si contracorriente o cruzado.

a) ¿Cuál elegiría usted, si sólo dispone de 400 kg/h de solvente? ¿Cuál sería el má-
ximo rendimiento en cada caso? ¿Puede alcanzar un rendimiento del 100%? Jus-
tifique su respuesta.
b) Si finalmente se decide emplear una configuración contracorriente, pero el caudal
de alcohol (C) a tratar disminuye a 1680 kg/h, ¿con cuántas etapas obtendría el
mismo rendimiento que el calculado en la etapa a)?

PROBLEMA Nº 5

Un producto de reacción de una planta de producción de isopropanol (IP) contiene

un 9.5% de IP y 90.5% en peso de diisopropiléter (DIPE) peso. Se planea separar el
IP en un proceso de extracción líquido-líquido a contracorriente, utilizando agua
como solvente. Se requiere producir un refinado con un 0.5% de IP.
a) ¿Cuál es la cantidad máxima permitida de IP en la alimentación de solvente?
b) ¿Cuál es la cantidad de agua mínima que podría emplearse para obtener el refi-
nado deseado, si ingresa contaminada con la mitad de IP indicada en el inciso
(a)?
c) ¿Cuál es la cantidad de agua necesaria para llevar la operación y cuántas etapas
de equilibrio serán necesarias, si se requiere obtener un extracto de al menos un
10% en peso de IP?
Nota: considere al DIPE y agua totalmente inmiscibles entre sí. Se dispone de los
siguientes datos de equilibrio del sistema IP+DIPE+Agua:

X (kgIP/kgDIPE) 0 0.025 0.033 0.053 0.105

Y (kgIP/kgAgua) 0 0.090 0.096 0.115 0.135

3
Guía 5 Separación por agente másico

DESORCIÓN

PROBLEMA Nº 6

Se utiliza una columna de platos para desorber propano de un aceite no volátil, me-
diante vapor de agua en contracorriente. Se debe tratar una alimentación de 100
moles/hr y reducir la concentración de propano desde un 0.25% a 0.025% molar. La
columna opera a 280 °F y 35 psia. Bajo estas condiciones el equilibrio está dado por:
y = 33.4 x.
Si se suministran 4 moles/h de vapor de agua, calcular el número de etapas requeri-
das:
a) Aplicando un método grupal.
b) Mediante un cálculo analítico plato a plato
c) Gráficamente por el método de McCabe-Thiele
d) Si la presión se aumenta a 50 psia, ¿cuántas etapas se requerirán?

PROBLEMA Nº 7

Se va a desorber el soluto A de una corriente líquida, empleando un gas puro. La

corriente líquida tiene un caudal de 150 kmol/h y contiene un 30% molar de A. Se
desea reducir la concentración de A hasta un 1% molar, empleando un caudal de
gas un 50% mayor que el mínimo.
a) Calcular el número de etapas necesarias, si se emplea un dispositivo en contra-
corriente.
b) Si no se dispusiera de una corriente de gas puro, ¿cuál sería la máxima concen-
tración de soluto A que podría admitirse en la corriente de gas desorbedor para
obtener la misma separación, operando con los mismos caudales?
c) Cuál es el rendimiento de la extracción para la situación planteada en el inciso b?
Dato: La relación de equilibrio para la distribución de A puede expresarse, en térmi-
nos de fracciones molares, como yA = 2.0 xA

PROBLEMA Nº 8

Se dispone de dos corrientes gaseosas que se usarán para desorber un con-

taminante venenoso presente en un residuo líquido de una planta industrial. La ofici-
na técnica de la planta ha pensado utilizar alguno de los dos esquemas siguientes:

4
Procesos de Separación 2020

ESQUEMA I ESQUEMA II
L0 = 400 mol B / h L0
x0 = 0.0147 mol A / mol B x0

V1 = 600 mol C / h
y1 = 0.002 mol A /mol C

VN+1= 400 mol C / h V* N+1

yN+1= 0.0005 mol A / mol C y* N+1

A: contaminante venenoso
B: residuo líquido poco volátil
C: gas absorbente poco soluble en B

V*N+1 e y*N+1 corresponden a la mezcla de las corrientes V1 y VN+1.

a) ¿Cuál sería la composición de contaminante A que se podría alcanzar en el líqui-

do tratado de acuerdo al Esquema I? Suponga que es posible introducir la alimen-
tación gaseosa intermedia en un punto de la columna donde su concentración
coincide con la de la corriente de gas interna y que el número de platos en las
secciones superior e inferior son iguales.
b) ¿Cuál sería la composición de contaminante A que se podría alcanzar en el líqui-
do tratado de acuerdo al Esquema II?
c) El informe final de la oficina técnica recomienda construir una columna equivalen-
te a 6 etapas teóricas totales con el objeto de cumplir con las reglamentaciones
provinciales vigentes que aceptan hasta una concentración máxima de 0.0012
molA/molB en el residuo líquido. Como este informe no menciona el esquema se-
leccionado, determine con cuál de los dos se deberá trabajar.
Nota: La relación de equilibrio en las condiciones de operación es:
y=x donde: y [molA/molC], y x [molA/molB]

PROBLEMA Nº 9

Se desean purificar 100 moles/h de una mezcla de aceite comestible contaminado

con 85% de hexano en fracción molar. Para ello se somete la mezcla a una destila-
ción flash a 100 mmHg y 93 °C. El líquido que abandona el tanque de expansión
contiene aún una cantidad de hexano que se desea eliminar. Así se lo alimenta a
una columna en donde se burbujea aire, el cuál arrastrará el hexano contaminante.
La columna opera a 100 mmHg y 31.6 °C.
Calcular:
a) La composición y cantidad de líquido que abandona el tanque de expansión.

5
Guía 5 Separación por agente másico

b) La cantidad mínima de aire necesaria para que la concentración final de hexano

sea x = 0.01.
Datos: pv de hexano (93 °C) = 2 atm
pv de hexano (31.6 °C) = 200 mmHg
Suponer que en todo el proceso se considera que la presión de vapor del aceite es
nula frente a la del hexano.

PROBLEMA Nº 10

Como resultado de un proceso de absorción se deben tratar dos soluciones para

sacarle un soluto. La primera solución es de benceno en un aceite no volátil, con un
caudal de 25 moles/h y fracción molar de benceno 0.1. La segunda, análoga a la
primera tiene un caudal de 10 moles/h y fracción molar 0.05. Ambas corrientes son
precalentadas a 250 °F y serán tratadas en una torre a 1 atm de presión con vapor
sobrecalentado a 250 °F. El líquido que deja la torre no deberá contener más de
0.005 en fracción molar de benceno.
(Se supone: operación isotérmica, ley de Raoult, las alimentaciones ingresan a la
torre en sus puntos óptimos.)
Presión de vapor de benceno a 250 °F = 2400 mmHg.
Calcular:
a) El mínimo caudal de vapor.
b) El número de platos teóricos para Gop = 1.25×Gmín.
c) El plato donde se debe alimentar la segunda solución.
d) ¿Cuántos platos serían necesarios si ambas soluciones se alimentaran en el tope
de la columna, usando el mismo caudal de vapor que en b)?

ABSORCIÓN

PROBLEMA Nº 11

Se desea eliminar el H2S de una corriente residual conteniendo 30% de N2 y 70% de

H2S (% en volumen) con el objeto de reducir la concentración de H 2S a 1% en volu-
men. Se sugiere tratar el gas con agua en contracorriente en una torre de platos.
a) Determine el caudal mínimo de agua a utilizar, si el agua entre al equipo libre de
H2S.
b) Determine el número de platos ideales, si el caudal de operación del agua es 1.2
veces el mínimo.
Datos: Temperatura de operación = 19 °C; presión de operación = 1 atm.
Constante de Henry del H2S en H2O: H = 500 atm.

6
Procesos de Separación 2020

PROBLEMA Nº 12

Una corriente de etileno, impurificada con un 2% de acetileno en fracción molar, se

trata con dimetil formamida (DMF) pura, a fin de eliminar el acetileno.
Se requiere obtener etileno de 2 calidades:
Grado industrial (gi) ygi = 5.×10-3 (fracción molar de acetileno)
Grado polimerización (gp) ygp = 1.×10-3 (fracción molar de acetileno)
El caudal total a purificar es de 1000 moles/día, requiriéndose un 60% de esta co-
rriente como etileno de grado industrial, y el 40% restante como etileno de grado
polimerización.
La columna operará a 15 °C y 2.5 atm. Se piensa emplear una sola columna de pla-
tos, con una extracción lateral de etileno de grado industrial, de modo de satisfacer
las dos calidades requeridas. Además, el caudal de solvente utilizado es un 30%
mayor que el mínimo. Bajo estas condiciones, calcular:
a) El número de platos en la zona superior e inferior de la columna.
b) La concentración de acetileno en la DMF que abandona la columna.
Datos: a T = 15 °C la solubilidad del acetileno en la DMF puede expresarse como:
pDMF(atm) = 7.7 xDMF (fracción molar)

PROBLEMA Nº 13

Es necesario reducir el contenido de hexano de una corriente de aire por absorción

con un aceite no-volátil. Se emplea para ello una columna de platos. Se tratan 100
moles/h de aire con una composición de hexano del 1% molar, y se emplea como
solvente aceite puro.
A la temperatura y presión de operación de la columna, la relación de equilibrio para
el hexano es y = 0.8 x.
Para una disposición en flujo cruzado (en la que se emplee el mismo caudal de sol-
vente en cada etapa) y para una disposición en contracorriente, determinar:
a) El caudal mínimo de solvente requerido para una recuperación del hexano del
95%.
b) El número de etapas si se opera con un caudal de solvente un 50% mayor que el
mínimo.
c) El rendimiento máximo para el caudal de solvente calculado en b.
d) ¿Qué caudal de solvente permitiría obtener una recuperación del 100% para el
caso de flujo cruzado?
e) ¿Se podría obtener un rendimiento del 100%, en el caso de flujo en contracorrien-
te, si se operara con un caudal de 78 moles/h? ¿por qué?

7
Guía 5 Separación por agente másico

PROBLEMA Nº 14

En una columna de platos se emplea un aceite no-volátil para absorber propano de

una corriente gaseosa constituida por 10% molar de propano y 90% molar de CO2.
La columna opera a 30 atm y 9 °C, siendo el CO2 insoluble en aceite.
El aceite rico en propano que abandona la torre se somete a una expansión flash a 1
atm y 45 °C. La corriente de fondo se recicla a la torre y el vapor obtenido en el se-
parador es propano puro.
Si se desea recuperar el 85% del propano alimentado, calcular:
a) Composición del propano en el reciclo.
b) El número de platos teóricos en la torre, para un caudal de operación 1.5 veces el
mínimo.
c) Las composiciones de todas las corrientes del proceso.
Datos: pv del propano a 45 °C = 14.95 atm.
pv del propano a 9 °C = 6.09 atm.

LIXIVIACIÓN
Nota: respete la definición del dato de retención dada en cada problema (por solu-
ción o por solvente).

PROBLEMA Nº 15

Se utiliza un proceso de lixiviación para recuperar aceite de un lodo, empleando

benceno como solvente.

Inertes: kg/h

Benceno: kg/h Solución

Inertes: kg/h
Aceite: kg/h kg/h
Inertes: kg/h Benceno: kg/h Solución

Aceite: kg/h Aceite: kg/h kg/h

ETAPA 1 ETAPA 2 ETAPA N

Benceno: kg/h Solución Benceno: kg/h Solución

kg/h kg/h kg/h kg/h

Aceite: Aceite:

DATOS:
 Lodo: 120 kg/h (88% de sólidos inertes + 12% de aceite).
 Solvente: 130 kg/h (benceno puro).
 Especificación: la corriente de solvente que sale del sistema debe estar formada
por 76% de benceno y 24% de aceite.
 Retención: 1 kg de sólidos inertes retiene 0.82 kg de solución.

a) Completar el siguiente esquema realizando balances de masa:

8
Procesos de Separación 2020

b) Calcular el número de etapas que posee el sistema de lixiviación.

c) Calcular la recuperación.

PROBLEMA Nº 16

Un mineral que contiene 15% de sólidos solubles y 5% de humedad (porcentajes en

peso) va a someterse a extracción con 1 lb de agua/lb de mineral alimentado, en un
sistema de tres mezcladores y filtros que pueden considerarse como tres etapas
ideales que operan en contracorriente. Los productos que se obtienen en cada filtro
contienen 0.25 lb de solución/lb de sólidos inertes. Determine el porcentaje de los
sólidos solubles contenidos en el mineral que se recuperan en la solución producto.

PROBLEMA Nº 17

Mediante extracción con kerosene, se desea desparafinar 2 ton/día de un papel pa-

rafinado utilizando un equipo que funciona por etapas en contracorriente. La corrien-
te de papel parafinado está formada por 25% en peso de parafina y 75% en peso de
pulpa de papel (que es insoluble en kerosene). El objetivo es obtener un papel con
menos de 0.2 kg de parafina/100 kg de pulpa (libres de cera).
El kerosene usado para la extracción contiene 0.05 kg de parafina/100 kg de kero-
sene puro. En la corriente de kerosene que abandona el proceso se obtendrán 5 kg
de parafina/100 kg de kerosene puro.
Considere que 1 kg de pulpa retiene 2 kg de kerosene puro.
Calcule:
a) El caudal de kerosene que debe emplearse.
b) El número de etapas necesarias para llevar a cabo la separación.

PROBLEMA Nº 18

Una arena de playa contiene 85% de arena insoluble, 12% de sal y 3% de agua.
1000 lb de esta mezcla son tratadas en distintas etapas con 2000 lb de agua pura en
c/u de ellas.
a) Haga un esquema del proceso.
b) ¿Cuántas etapas son necesarias si se requiere que la solución de sal que acom-
paña al producto tenga una concentración de 4×10-3 lb sal/lb de agua?
La arena retiene 0.5 lb de agua pura/lb de arena insoluble.

PROBLEMA Nº 19

Para extraer los sólidos solubles de un mineral cuya corriente es de 1000 kg/h (20%
de solubles + 80% de inertes), se utiliza un caudal de 200 kg/h de agua pura (por

9
Guía 5 Separación por agente másico

etapa) en 4 etapas a flujo cruzado. El mineral retiene 0.1 kg de solución por kg de

material inerte.
a) Calcule la recuperación del proceso.
b) Calcule el caudal total mínimo de solvente para lograr la recuperación calcu-
lada en el inciso anterior.

10