QUI025CE3S12014
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Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Química Química de Procesos QUI- 025 Certamen N° 3 8 de Julio 2014 1. En el proceso de fabricación de acetato de celulosa a partir de fibras de algodón, ácido acético y anhídrido acético, se produce una corriente residual de ácido acético diluido. La rentabilidad del proceso implica recuperar, purificar y concentrar este ácido diluido para usos posteriores. Se estudia un proceso que en una columna extrae el ácido acético (HAc) usando éter (E) como solvente. En este mismo equipo la mezcla de ácido diluido y éter se separa en dos fases: una fase éter concentrada en ácido acético 3, y una fase acuosa con bajas concentraciones de ácido residual, éter disuelto y otras impurezas 4. La fase éter obtenida desde el tope de la columna de extracción 3 se alimenta a una columna de destilación para separar el solvente del ácido acético. El ácido acético resultante 10 se ingresa a una segunda columna de destilación para reducir el contenido de agua y obtener ácido acético de alta pureza 12. La fase acuosa obtenida por el fondo de la columna de extracción 4 se alimenta a una columna de agotamiento recuperando por su corriente de tope el éter residual 6 y desechando la corriente de fondo 9. El diagrama de flujo de la figura considera procesar un ácido diluido 1 (composición en peso: 30 % de ácido acético, 0,2 % de H 2 SO 4 y el resto agua), para producir un ácido acético recuperado de 99 % en peso de pureza 12. Considerando que el 67,5 % del ácido acético alimentado a la segunda columna de destilación (terminado de ácido) se recupera como producto y que se alimentan al proceso 2,3 [lb] de ácido diluido por cada [libra] de ácido diluido recirculado (F 1 /F 11 = 2,3). Todas las composiciones del diagrama están como porcentajes en peso. Por cada 100 [ton] de ácido recuperado 12 (el que contiene 99 % de ácido acético), calcular: a. el número de grados de libertad de las diferentes unidades, del proceso completo, y de la frontera global b. Las composiciones desconocidas de la corriente 3. 40 ptos. 2. Se mezclan adiabáticamente 1450 [pie 3 /h] de aire A con una temperatura de bulbo seco de 101,4 [°F] y una temperatura de bulbo húmedo de 79,0 [°F] con V B [pie 3 /h] de aire B, que contiene el doble de masa de aire seco que A, con una temperatura de bulbo seco de 81,3 [°F] y 70,0 % de humedad relativa. El aire resultante 1 se ingresa a una torre (torre de aspersión) donde se exponen a una fina lluvia de agua (4). Como consecuencia, la corriente de aire se enfría a 50 [°F] y además experimenta cierta deshumidificación. El aire que emerge de la torre está saturado (2). El agua líquida sale de la torre a 50 [°F] (5). Parte de ella se retira (3) y el resto se enfría y se recircula a la torre (4). No se transfiere calor entre la torre y su entorno y todo el proceso se realiza a una presión de 1,00 [at]. Calcular: a. Flujo en [lb/h] de agua líquida que debe retirarse del proceso (3). b. Calor en [Btu/h] que se debe retirar en el enfriador (nota: Use la expresión: ∆IH=0,240•T[°F]+H•(1062+ 0,450•T[°F]) para el cálculo de la entalpía del aire húmedo con humedad H y temperatura de bulbo seco T. Recordar que en carta psicrométrica el estado de referencia para el agua es agua líquida a 32 [°F] y 1,0 [at] y que la capacidad calorífica del agua líquida es 1,0 [Btu/(lb • °F)]). 30 ptos. 2 HAc 30% H2O H2SO4 0,2% E H2O 1,2% 4 10 HAc 60% H2O Mezclador 1 5 Mezclador 2 E HAc 24% H2O E 7% HAc H2O H2SO4 12 11 9 8 6 HAc H2O Agotamiento de Éter Termi- nado de ácido Columna de Extracción Recuperación de Solvente 1 3 7 E 98,8% H2O E H2O 1% HAc 99% H2O E 0,1% HAc H2O H2SO4
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Universidad Tcnica Federico Santa Mara Departamento de Qumica Qumica de Procesos QUI- 025 Certamen N 38 de Julio 2014 1. En el proceso de fabricacin de acetato de celulosaapartirdefibrasdealgodn, cidoacticoyanhdridoactico,se produceunacorrienteresidualdecido actico diluido. La rentabilidad del proceso implicarecuperar,purificaryconcentrar estecidodiluidoparausosposteriores. Seestudiaunprocesoqueenuna columnaextraeelcidoactico(HAc) usandoter(E)comosolvente.Eneste mismo equipo la mezcla de cido diluido y ter se separa en dos fases: una fase ter concentrada en cido actico 3, y una fase acuosaconbajasconcentracionesde cidoresidual,terdisueltoyotras impurezas 4.Lafaseterobtenidadesdeeltopedela columna de extraccin 3 se alimenta a una columnadedestilacinparasepararel solvente del cido actico. El cido actico resultante10seingresaaunasegunda columnadedestilacinparareducirel contenidodeaguay obtener cido actico de alta pureza 12. La fase acuosa obtenida por el fondo de la columna de extraccin 4 se alimenta a una columna de agotamiento recuperandoporsucorrientedetopeel terresidual6ydesechandolacorriente defondo9.Eldiagramadeflujodela figuraconsidera procesar un cido diluido 1(composicinenpeso:30%decido actico,0,2% deH2SO4 y el resto agua), paraproduciruncidoacticorecuperado de99%enpesodepureza12. Considerandoqueel67,5%delcido actico alimentadoa la segunda columnadedestilacin(terminadodecido)serecuperacomo productoyquesealimentanalproceso2,3[lb]decido diluidoporcada[libra]decidodiluidorecirculado(F1/F11= 2,3).Todaslascomposicionesdeldiagramaestncomo porcentajes en peso. Por cada 100 [ton] de cido recuperado 12 (el que contiene 99 % de cido actico), calcular: a.elnmerodegradosdelibertaddelasdiferentesunidades, del proceso completo, y de la frontera globalb. Las composiciones desconocidas de la corriente 3. 40 ptos. 2. Se mezclan adiabticamente 1450 [pie3/h] de aire A con unatemperaturadebulbosecode101,4[F]yuna temperaturadebulbohmedode79,0[F]conVB [pie3/h] de aire B, que contiene el doble de masa de aire seco que A, con una temperatura de bulbo seco de 81,3 [F] y 70,0 % de humedad relativa. El aire resultante 1 se ingresaaunatorre(torredeaspersin)dondese exponenaunafinalluviadeagua(4).Como consecuencia,lacorrientedeaireseenfraa50[F]y ademsexperimentaciertadeshumidificacin.Elaire que emerge de la torre est saturado (2). El agua lquida sale de la torre a 50 [F] (5). Parte de ella se retira (3) y elrestoseenfrayserecirculaalatorre(4).Nose transfierecalorentrelatorreysuentornoytodoel proceso se realiza a una presin de 1,00 [at]. Calcular: a. Flujo en [lb/h] de agua lquida que debe retirarse del proceso (3). b. Calor en [Btu/h] que se debe retirar en el enfriador (nota:Uselaexpresin: IH=0,240T[F]+H(1062+0,450T[F])paraelclculodelaentalpadelaire hmedo con humedad H y temperatura de bulbosecoT.Recordarqueencarta psicromtricaelestadodereferenciapara el agua es agua lquida a 32 [F] y 1,0 [at] yquelacapacidadcalorficadelagua lquida es 1,0 [Btu/(lb F)]). 30 ptos. 2 HAc 30% H2O H2SO4 0,2% E H2O1,2% 4 10 HAc60% H2O Mezclador 1 5 Mezclador 2 E HAc24% H2O E7% HAcH2O H2SO412 11 9 8 6 HAc H2O Agotamiento de ter Termi- nado de cido Columna de Extraccin Recuperacin de Solvente 1 3 7 E 98,8% H2O E H2O1% HAc 99% H2O E0,1% HAc H2O H2SO4 3. Se analizael diagrama de flujo de un proceso orientado a producirPaunquetambinatravsdeunareaccin secundariaseobtieneelsubproductoQ.Enelreactor2 se dan las siguientes reacciones: (I)A 3 V+W (II) V +2 B2 P+W (III) 2 A+ B 3 Q+2 W En el reactor 1 solamente ocurren las reacciones: (I)A 3 V+W (II) V +2 B2 P+W LaconversintotaldeAenproductosenreactor 2esde 60%. Se purga un 20% de la corriente que entra al divisor. Seobtienen476[moles/h]delproductodeseadoP(N6)y se conocen las siguientes relaciones: i.N5x5Q = 15 [moles/h] ii. N5x5W = 328 [moles/h] iii. N5x5V = 10 [moles/h] iv.N8x8A =10[moles/h] v.N7x7B =19[moles/h] Unanlisisdelosgradosdelibertaddeesteproblema indicaquelasolucindelproblemasedebecomenzar por el balance en el Separador 1, luego por el Separador 2,despusDivisoryfinalmentelafronteraglobal. Calcular en la frontera global: a. La conversin de B. b. El rendimiento fraccional de P a partir de A 30 ptos. PRO/JQD/IAA/ pro QUI025 Ce3 s12014 5 Separador 2 Separador 1
Divisor Reactor 1 R1 Reactor2 Mezclador 2 3 4 6 P 7 8 9Purga 10 11 12 A N1 B N2 N12 N9 N6 = 476N5 P Q A B W V N4 P Q A B W V N3 A B V N7 N11 A N10 Q W N8 B V 1 A Q W
