download - pharmahub

86
Problem sets on Pharmaceutical Engineering for Introductory Chemical Engineering Courses Part II Sponsored by the NSF Engineering Research Center for Structured Organic Particulate Systems (SOPS) NSF Grant ECC 0540855 Developed for the ERC as part of the educational component Stephanie Farrell, Mariano Savelski, C. Stewart Slater, Problem set Editors Vladimir De Delva, Pavlo Kostetskyy, Keith McIver, Kathryn Whitaker, Kaitlyn Zienowicz, Problem set authors 2010 Department of Chemical Engineering Rowan University Glassboro, NJ 08028 * to whom correspondence should be directed ([email protected] )

Upload: others

Post on 12-Feb-2022

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Problem sets on Pharmaceutical Engineering for Introductory Chemical Engineering Courses  

Part II   

Sponsored by the NSF Engineering Research Center for Structured Organic Particulate Systems (SOPS) 

NSF Grant ECC 0540855 

 Developed for the ERC as part of the educational component 

 

Stephanie Farrell, Mariano Savelski, C. Stewart Slater, Problem set Editors 

 

Vladimir De Delva, Pavlo Kostetskyy, 

Keith McIver, Kathryn Whitaker, Kaitlyn Zienowicz, Problem set authors 

 

2010 

 

Department of Chemical Engineering 

Rowan University 

Glassboro, NJ 08028 

 

* to whom correspondence should be directed ([email protected]

   

Instructor’s Guide  The following problem sets (problems and solutions) are designed to be used in introductory chemical engineering courses involving basic engineering calculations and material and energy balances.  The problems and solutions were designed to provide an emphasis on pharmaceutical and consumer product industries in the curriculum.    A majority of the introductory courses use the topics and text by Felder and Rousseau, Elementary Principles of Chemical Processes, 3rd edition, 2005, John Wiley & Sons.  Therefore, to allow the instructor to easily integrate these problems into their classes, we have “mapped” them to the current edition of that text.  The next edition of the book (4th ed, Felder, Rousseau, Newell; 2012) will integrate problems from pharmaceutical and other novel engineering areas, so we recommend you look for the 4th edition of the text when it is published.  

• In the development of problems, the following general concepts were follows: o All problems directly relate to topics from pharmaceutical technology or related 

consumer products (either basic concepts related to drug systems or to manufacturing) 

o Each problem, has a fully executed solution o Interesting terms (introduced in the problem) are boldfaced. o Appropriate references and web links are provided

• All problems were designed to be reasonable, with information drawn from various texts or literature sources.  The following should be considered when using them

o The actual drug formulations may vary from manufacturer to manufacturer o Information may come from “research” studies and may not represent the final 

drug process as approved by FDA o Problems that are clearly fictitious are written that way for a student to analyze 

why the situation would not occur in real life. • Problems are nominally assigned to chapters according to the Felder and Rousseau text 

topics in our Table of Contents. If you use these problems in another course, such as a Freshman Engineering class you can easily integrate them by using the following chapter/topic outline. 

 Each problem is labeled with the chapter and section of F&R in which the problem is applicable, the initials of the author of the problem, and a problem title. 

   

 Material and Energy Balance Course

(Felder & Rousseau, 3rd) 

Chapter 1:  What Some Chemical Engineers Do for a Living

Chapter 2:  Introduction to Engineering Calculations

Chapter 3:  Process and Process Variables

Chapter 4.  Fundamentals of Material Balances

Chapter 5.  Single Phase Systems

Chapter 6.  Multiphase Systems

Chapter 7.  Energy and Energy Balances

Chapter 8.  Balances on Nonreactive Processes

Chapter 9.  Balances on Reactive Processes 

Chapter 10.  Computer‐Aided Calculations

Chapter 11.  Balances on Transient Processes

Chapter 12‐14.  Case Studies

     

Table of Contents Instructor’s Guide ........................................................................................................................ 2 

Chapters and Problems ................................................................................................................... 6 Chapter 2 ..................................................................................................................................... 7 

F&R‐2.2‐VD (Prescription 2) .................................................................................................... 8 

Solution F&R‐2.2‐VD (Prescription 2) ...................................................................................... 9 

F&R‐2.5‐KM (Prevention of Trouble) ..................................................................................... 10 

Solution F&R‐2.5‐KM (Prevention of trouble) ....................................................................... 11 

Chapter 3 ................................................................................................................................... 12 

F&R‐3.1‐VD (Sunscreen) ........................................................................................................ 13 

Solution F&R‐3.1‐VD (Sunscreen) .......................................................................................... 14 

F&R‐3.2‐PK (Inhaler Excipient) .............................................................................................. 15 

Solution F&R‐3.2‐PK (Inhaler Excipient) ................................................................................ 16 

F&R‐3.2‐PK (Nitrofurantoin Batch Tablet Production) .......................................................... 17 

Solution F&R‐3.2‐PK (Nitrofurantoin Batch Tablet Production) ........................................... 18 

Chapter 4 ................................................................................................................................... 20 

F&R 4.2‐KZ (Nail Polish) ......................................................................................................... 21 

Solution F&R 4.2‐KZ‐ (Nail Polish) ......................................................................................... 23 

F&R‐4.3‐KW (Salicylic Acid Production) ................................................................................. 26 

Solution F&R‐4.3‐KW (Salicylic Acid Production) .................................................................. 27 

F&R‐4.6‐VD (Calcium Carbonate) .......................................................................................... 29 

Solution F&R‐4.6‐VD (Calcium Carbonate) ............................................................................ 31 

Chapter 5 ................................................................................................................................... 32 

F&R‐5.1‐KW (Mouthwash Formulation) ................................................................................ 33 

Solution F&R‐5.1‐KW (Mouthwash Formulation) ................................................................. 34 

F&R‐5.2‐KZ (Spray Drying of Acetaminophen) ...................................................................... 36 

Solution F&R‐5.2‐KZ (Spray Drying of Acetaminophen) ........................................................ 37 

F&R‐5.2‐KW (Effervescence Problem) ................................................................................... 39 

Solution F&R‐5.2‐KW (Effervescence Problem) .................................................................... 40 

F&R‐5.2‐KZ (Yeast Fermentation and Spray Drying) ............................................................. 43 

Solution F&R‐5.2‐KZ (Yeast Fermentation and Spray Drying) ............................................... 45 

Chapter 6 ................................................................................................................................... 48 

F&R‐6.3‐KM (Cox Chart and Raoult’s Law for Evaporation) .................................................. 49 

Solution F&R‐6.3‐KM (Cox Chart and Raoult’s Law for Evaporation) ................................... 50 

F&R‐6.5c‐KM (Medicinal Shampoo and p* Manipulation) ................................................... 53 

Solution F&R‐6.5c‐KM (Medicinal Shampoo and p* Manipulation) ..................................... 54 

F&R‐6.6b‐KM (Triangle Phase Diagrams) .............................................................................. 56 

Solution F&R‐6.6b‐KM (Triangle Phase Diagrams) ................................................................ 57 

F&R 6.7‐KM (Sugar Decolorization) ....................................................................................... 58 

Solution F&R 6.7‐KM (Sugar decolorizationDecolorization) ................................................. 59 

Chapter 7 ................................................................................................................................... 61 

F&R‐ 7.1‐KZ (Autoclave for Sterilization) ............................................................................... 62 

Solution F&R‐ 7.1‐KZ (Autoclave for Sterilization) ................................................................ 63 

Chapter 8 ................................................................................................................................... 67 

F&R‐8.1‐KZ (Snow Removal Reaction) ................................................................................... 68 

Solution F&R‐8.1‐KZ (Snow Removal Reaction) .................................................................... 69 

F&R‐8.5a‐KW (Instant Cold Packs) ......................................................................................... 71 

Solution F&R‐8.5a‐KW (Instant Cold Packs) .......................................................................... 72 

F&R‐8‐PK (Steam Generator with Flue Gas Recycle) ............................................................. 74 

Solution F&R‐8‐PK (Steam Generator with Flue Gas Recycle) .............................................. 75 

Chapter 9 ................................................................................................................................... 77 

F&R‐9.3‐KM (Formation of Milk of Magnesia) ...................................................................... 78 

Solution F&R‐9.3‐KM (Formation of Milk of Magnesia) ........................................................ 79 

F&R‐9.3‐KM (Production of EDTA) ........................................................................................ 81 

Solution F&R‐9.3‐KM (Production of EDTA) .......................................................................... 82 

F&R‐9.6d‐KM (Combustion as a Drug Delivery Method) ...................................................... 86 

Solution F&R‐9.6d‐KM (Combustion as a Drug Delivery Method) ........................................ 87 

 

 

Chapters and Problems 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

  

Chapter 2  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

F&R‐2.2‐VD (Prescription 2) 

 

 

Diazepam  (commonly  known  as  Valium)  is  used  to  treat  anxiety  disorders,  acute  alcohol withdrawal, and seizures1. Many doctors prescribe  it to calm patients before a procedure that does  not  require  general  anesthesia.  Diazepam  is  part  of  the World  Health  Organization’s Essential Drugs List. A student visits his family doctor and explains that he has not been able to sleep  very well  lately. When  asked what he  thinks  could be  the  source of  the problem,  the student explains that he did poorly on a separations exam and now has a thermodynamics test next week with that same professor. The doctor gives him the above prescription. 

a) How long will the prescription last? b) How much diazepam will the student have taken at the end of treatment? 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                       1 Mandrioli R., Mercolini L., Raggi M., " Benzodiazepine metabolism: an analytical perspective," Current drug metabolism, Vol. 8, no. 9, pp. 827‐844. Oct 2008. 

 

Solution F&R‐2.2‐VD (Prescription 2)  

The prescription says that there are 30 tablets of 5 mg each 

From the abbreviation definitions: 

Sig. = Let it be signed 

Tab. = Tablet 

i. = one 

t.i.d = three times a day 

  

a) Find how long the prescription will last 

30 tablets1 day

3 tablets 10 days  

b) At the end of the treatment the patient will have taken 30 tablets 

30 tablets0.005 g1 tablet 0.15 g  

 

   

F&R‐2.5‐KM (Prevention of Trouble)  

It has been suggested1, that pharmacists should “NEVER DISPENSE GUESSWORK”. This is equally applicable  to  engineering;  following  are  some  situations  that  could  easily  occur  in  your professional life. For each, explain what the problem is (or is likely to be), the cause(s), possible consequences, and any solutions that occur to you. Since the problems already happened, you will have to specify corrective as well as preventative solutions. 

(a) An ordered  list of  instructions for a process (Called a run sheet) says to apply a stored pressure gas to a system until a certain gauge reads “…an absolute pressure of 17psig” 

(b) After the previous process injures one of your operators, the hospital pharmacy receives a prescription for “MgSO4 .40mL qhs per os” (Hint: Look up a list of commonly mistaken pharmacy jargon, such as ISMPs) 

(c) The substitute records a flowrate as being “102 cfs” (d) You note that the wall chart the nurses keep in the operator’s hospital room appears to 

call for “5 m of morphene sulfate” (e) Your  operator  has  the  same  name  as  the  janitor,  and  your  building  access  system 

operates by initials   

                                                       1 Stoogenke, M. M., The Pharmacy Technician, 3rd ed. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education, 2002 

Solution F&R‐2.5‐KM (Prevention of trouble) This problem  is an extreme example of  confusing  terms  that will  turn up  in engineering and how they should be approached. The last one proves that life is not a final exam and engineers (like everyone else) should be concerned with things, even if they aren’t paid to. 

(a) The  problem  here  is  obvious:  The  notation  is  self  contradictory,  listing  an  absolute pressure  in  a  units  of  gauge  pressure.  The  cause  could  be  almost  anything  from  a mistake  in writing  it to something passed on (possibly because they didn’t know either and  left  it  alone).  The  consequences  here  are  14.696  psi,  the  difference  between  a gauge  and  absolute  pressure. Given  that  the  process  is  supposed  to  be  at  17  psi,  a misreading  could pressurize  the  system  to nearly  twice what  it  should be. This  could cause anything from a shutdown by safety systems to an explosion or flood of process fluids out a relief valve. If this is caught before the process starts, it should be rectified (asking the author or previous process technicians/operators would be a likely place to start). If it’s caught in the middle of the process, the most conservative pressure should be used (in this case, 17 psia). If the process  is exceptionally sensitive or unsteady, the best thing to do may be to stop the run. 

(b) Per the ISMP’s list of Error‐Prone Abbreviations, “MgSO4 .40mL qhs per os” means “ 0.4 mL  of magnesium  sulfate  at  bedtime  by mouth”,  but  can  be misread  as  “40 mL  of morphine sulfate hourly  in the  left eye”. The causes are the use of confusing standard terminology  in  the pharmacy  field  and  (likely) bad handwriting or hasty  reading.  The possible consequence is, obviously, giving the wrong medicine in the wrong dose on the wrong  schedule  in  the  wrong  place. While  the  long  term  solution  is  to  use  better nomenclature and skill in writing, for now they should make liberal use of the eyewash. 

(c) Units on an exponential result in undefined terms. This is almost certainly a misreading or miswriting of “102 cfs”. Because  this cannot be used as written  it won’t cause  real trouble, but is confusing and ugly to look at. In the future the recorders should be more careful  and,  if  this  is being  filled out  in  a batch  sheet or  similar,  the  column heading should include units to prevent the need to write them down again. To be sure, thought, the specific operator who wrote that should be asked (if possible) what s/he meant. 

(d) Besides  the  fact  that  “morphine”  is  misspelled,  medication  is  rarely  delivered  or measured  in units of  length and  five meters  is an excessive amount of anything  to be carried around  in a hospital. The cause of this  is not obvious from the description. The doctor/nurse who put that up should be asked if it is correct. 

(e) Use  of  public  data  (names)  for  purposes  that  require  individual  secrecy  (passwords, essentially)  is  self  defeating.  The  most  likely  cause  of  this  is  laziness  or  stinginess somewhere  along  the  line.  As  a  result,  the  system  is  untrustworthy  and  useless  for actual access control. Besides getting a new system, the old one could be changed from initials to PINs. 

Chapter 3 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

F&R‐3.1‐VD (Sunscreen) Sunscreen  is  used  to  protect  the  skin  from  UV  radiation.  The  molecules  present  in  the sunscreen  absorb  the  high  energy  ultraviolet  photons  through  electron  resonance delocalization, and are raised to a more energetic orbital state. The energy absorbed is released in the form of fluorescence or heat when the molecule returns to the ground state. After a long period of sun exposure the molecules in the sunscreen start to degrade and the sunscreen will have to be reapplied. For an average sized adult the required amount of sunscreen needed for protection is 2 mg/cm2. During the summer, 1 hour of sunlight is the equivalent of 10 joules per cm2 1. 

a) An average size man  is spending  the day at  the beach on a  sunny  summer day. He  is wearing shorts that have dimensions of 15 cm by 82 cm. How many grams of sunscreen are needed to cover his exposed skin? (Hint: Lookup average body surface area.) 

b) How often should he reapply the sunscreen in order to get maximum protection? c) What suggestions would you make to him? 

 

Labeled SPF  Sunscreen active system 

Percentage of total UV absorbance remaining after UV exposure 

  5 joules 10 joules 20 joules  30 joules

N/A  Antisolarium  100 95 86  70

 

 

 

 

 

 

                                                       1 Lowe, N., and Shaah, N., "Sunscreens: Rationale for use to reduce photodamage and phototoxicity ,"  The Chemistry of Sunscreens. Sunscreens Development, Evaluation, and Regulatory Aspects, Vol. 15, A. Madhu, Ed New York: Marcel Dekker, Inc, p. 35‐43, 1997. 

Solution F&R‐3.1‐VD (Sunscreen) a) The average body surface area of a man is 16200 cm2.  

The surface area of his shorts is (assume a square) 

15 cm 85 cm 1275 cm  

The area of exposed skin is 

16200 cm 1275 cm 14925 cm  

Conversion 

2 mg1 g

1000 mg .0002 g 

 

The amount of sunscreen needed is 

14925 cm 0.002 g1 cm 29.85 g  

 

b) In 1 hour 10 joules are applied to 1 cm2 of exposed skin. From the table we can observe that  after  10  joules  of  UV  exposure,  95%  of  Antisolarium  remains which means  the product  began  to  degrade.  So  for  maximum  protection,  the  sunscreen  should  be reapplied every 30 minutes.  

c) The man should purchase a more effective sunscreen. 

 

    

 

 

   

F&R‐3.2‐PK (Inhaler Excipient)  A metered‐dose  inhaler (MDI)  is a device that delivers a specific amount of medication to the lungs,  in  the  form  of  a  short  burst  of  compressed  gaseous medicine  that  is  inhaled  by  the patient. It is the most commonly used delivery system for treating asthma, chronic obstructive pulmonary disease and other respiratory diseases [1]. The medicine  is suspended  in a neutral gas, called excipient. One of possible excipients available is 1,1,1,2‐tetrafluoroethane [2]. 

(a) Using standard organic chemistry nomenclature produce a chemical structure and a formula for this chemical compound 

(b) What is the molecular weight of this compound and calculate the following i. Mass in grams of 1 lbmol of excipient ii. Number of pound moles of 2.00 short tons of excipient  iii. Total number of molecules in 1 lbmol of excipient 

(c) If air is used as a substitute for 1,1,1,2‐tetrafluoroethane, what is the mass ratio of air to 1,1,1,2‐tetrafluoroethane to obtain the same number of moles 

(d) Using literature, research other possible excipients commonly used in pharmaceutical industry 

 

 

                                                       [1] Hickey, A. J., Pharmaceutical Inhalation Aerosol Technology, ed. 2nd edition, Marcel Dekker Inc., NY, 2004. [2] http://www.medsafe.govt.nz/profs/datasheet/v/VentolinCFC‐freeinh.htm 

16  

Solution F&R‐3.2‐PK (Inhaler Excipient)  

(a) In this case 1,1,1,2‐tetrafluoroethane is a two‐carbon hydro‐fluoro carbon molecule.    

   

(b) The molecular weight of 1,1,1,2‐tetrafluoroethane is 102.03 g/gmol  

a.  Mass MW x N     

 Mass 1 x 453.6 453.6 grams   

b. Number of lbmol MWN

    

 Number of lbmol 2.00 short tons x 2000

x .

39.2 lbs   

c. N N x 6.022 10     

 N 453.6 x 6.022 10 2.73 10 molecules     

(c) The mass ratio of air to 1,1,1,2‐tetrafluoroethane can be found using the respective molecular weights:  

RatioMWC

MW  

  

Ratio102.3 g

gmol29.0 g

gmol 3.53  

  

(d) Alternate excepients can be found by performing a patent search on common inhalers as well as research in a scientific research database  

17  

F&R‐3.2‐PK (Nitrofurantoin Batch Tablet Production)  Nitrofurantoin  is an antibiotic used primarily  in  treatment of urinary  tract  infections  [1]. The active  pharmaceutical  ingredient  (API)  in  the mixture  is Nitrofurantoin.  In manufacture  of  a 1000‐unit batch of 100mg Nitrofurantoin  tablets,  the  following  ingredients are mixed  in a V‐Blender until a well mixed state  is achieved [2]. The mixture  is then passed through a 0.8 mm sieve and compressed under a  low compression  tablet press apparatus. Table 1 contains  the components required for the aforementioned formulation [2].  

 

Table 1: Bill of Material for Nitrofurantoin 

Bill of Materials Scale 

(mg/tablet)  Item  Material Name Quantity/1000 Tablets (g)  Function 

100.00  1  Nitrofurantonin  100.00   Active Pharmaceutical Ingredient 200.00  2  Ludipress ©   200.00   Filler  

2.00  3 Magnesium Stearate  2.00   Lubricant  

3.00  4  Aerosil 200 ©  3.00  Diluent  

 

 

a) Draw a  process diagram and provide basic specifications for a  commercial mixer and a tablet presses 

b) Using any available literature, research the functions of Items 2‐4 in Table 1 c) If the net force required for an effective compression of each tablet is 980 MPa, how 

many people would need to stand on a square 1ft x 1ft to obtain the force required [3].  (Assume an average body weight of 180 pounds) 

d)  Calculate the mass fractions of each component in a 1000 tablet batch  e) How many pounds (lbm) of Nitrofurantoin are required for 6750 tablets of final product 

                                                       [1] Lee M., Bozzo P., Einarson A., and Koren G. (June 2008). "Urinary tract infections in pregnancy". Canadian Family Physician; 54 (6): 853–4.  [2] N. K. Sarfaraz. “Handbook of Pharmaceutical Formulations”, Compressed Solid Products, Volume One 2nd Ed. New York, NY, 1949 

[3] M. Otsuka, M. Sato, Y. Matsuda;“Comparative Evaluation of Tableting Compression Behaviors by Methods of Internal and External Lubricant Addition”. AAPS PharmSci Journal; July 11, 2001 [4]  J. Swarbrick. “Encyclopedia of Pharmaceutical Technology”, Volume 6, 1st Ed.New York, NY 2007 Informa Healthcare Inc.   [5]  “Design Specifications for a V‐Blender”;  http://www.alibaba.com/product‐gs/271853261/V_Mixer_V_Blender_mixing_machine.html; Accessed: April 29, 2010 [6] “Design Specifications for a High‐Speed Tablet Press”; http://www.hmbusiness.com/html/high_speed_tablet_press.html; Accessed: April 29, 2010 

18  

Solution F&R‐3.2‐PK (Nitrofurantoin Batch Tablet Production)  a) Below is a simple process flow diagram of the tablet manufacturing process: 

  

  

Table 2 contains a series of V‐mixer models with various design parameters [5].  

Table 2: V‐mixer scale up and specifications 

  

Below are unit specifications for a high‐speed commercial tablet press apparatus [6].  

HM TP‐(H/HA) series High‐speed Tablet Press Machine         Model difference:   HM TP‐HA series, electric control cabinet separated from main unit;                                            HM TP‐H series, electric control cabinet compacted with main unit.         Model:   HM TP‐HA3059/3055/3045/3037,H/HA1042/1038/1032/1026         P&D:   BBS/BB/B/D         Tablet:   round, irregular  

19  

       Max. tablet diameter:   11/13/16/25mm         Max. filling depth:   18mm         Number of P/D:   59/55/45/37, 42/38/32/26         Max. capacity:   556,400/528,000/415,800/341,800;                                      252,000/228,000/192,000/117,000 pcs/h     

 See  shaded  region  in  Table  1.  Filler  (Ludipress©)  is  an  inert  solid  substance  used  in tablet manufacture [4]. The lubricant (Magnesium Stearate) is used to prevent adhesion of the solids mixture to the metal processing units [4]. Aerosil 200 © is used as a glidant, which is a substance (as colloidal silica) that enhances the flow of a granular mixture by reducing interparticle friction and in pharmaceutical production of tablets and capsules [4].  

b) The total pressure can be calculated using simple unit conversions:  

Pressure Mass x 32.2fts x Area 

   

980 MPa 142,137 psi 1ft x 144inft x 180lb x N  

  N 5.48 ~ 6 People  

 c) The following table contains the mass fraction of each component: 

 

Material Name Quantity/1000 Tablets (mg) 

Mass Fraction 

Nitrofurantonin  100.00  0.33 Ludipress  200.00  0.66 Magnesium Stearate  2.00  0.01 Aerosil 200  3.00  0.01 

 d) The total mass of Nitrofurantoin can be calculated using the mass requirements of 

Nitrofurantoin given in Table 1:   

MN . 100mg

1000 tablets x 6750 tablets 675 mg  

20  

Chapter 4  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

21  

F&R 4.2‐KZ (Nail Polish)  

Nail  polishes,  treatments  and  hardeners  all  contain  a  film‐former,  such  as  nitrocellulose  to produce a hard and shiny surface when dried. Its excellent adhesion property to the natural nail makes  it  an  indispensable  ingredient  in  the nail  lacquer  formulation.  Its other  attributes  are durability, toughness, solubility and quick solvent release under ambient drying conditions.1 To make  the  film  tough and  resilient, a  resin such as  toluene‐sulfonamide‐formaldehyde  resin  is used. This resin has been shown to possess the necessary characteristics of gloss, hardness and resistance  to  household  detergent  solutions.2  To  prevent  chips  and  cracks,  one  or  more plasticizers,  such  as  camphor  and  dibutyl  phthalate  are  included.  3  Solvents,  including  ethyl acetate, butyl acetate and  toluene, are used  to help products  flow smoothly.   These solvents are used to dissolve other substances including nitrocellulose, the basic film‐forming material in nail polish.4 Colored polishes or products contain FDA‐approved colorants or pigments which are evenly distributed in the product due to the inclusion of a suspension agent or clay, such as titanium dioxide. 5 Below is a table that breaks down the final nail polish components by weight percent.  The pigment, TD, is mixed with nitrocellulose (N) and the plasticizers, (C and DP), using a mill to grind  the pigment  to produce  fine dispersion of  the  color. When  fully milled,  the mixture  is removed  from  the mill  and  enters  a mixer with  the  three  solvents,  EA,  BA,  T.  Due  to  N’s adhesive properties, 5% remains as residue  in the mill as  loss. At the end of the process, the material  is  cooled by a  jacketed  stream of water entering 5 GPM at 15°C and  final additives such  as  resin,  TSF,  are  added.  There  are  3000  GPH  of  nail  polish  being  produced with  the following composition. 

Nail Polish Formulation Component % by Weight6  

 

 

   

 

                                                       1 “Nitrocellulose: Cosmetic Info,” 2007. [Online].  Available: http://www.cosmeticsinfo.org/ingredient_details.php?ingredient_id=1561 2 R. Rossomando, “Finger Nail Lacquer,” U.S. Patent 4179304. December 18, 1979. 3 P. Begoun, “Dibutyl phthalate,” Cosmetics OP. 2010. [Online] Available:http://www.cosmeticscop.com/body‐nail‐care‐dibutyl phthalate.aspx 4 “Butyl Acetate,” Cosmetic Info, 2007. [Online]. Available: http://www.cosmeticsinfo.org/ingredient_details.php?ingredient_id=375 5 “Nail Products,” Cosmetic Info, 2007. [Online]. Available: http://www.cosmeticsinfo.org/product_details.php?product_id=32 6 A. Shansky, “Nail Polish,” U.S. Patent 3234097. 27 June 1978.  

Nitrocellulose  13.0

Toluene‐sulfonamide‐formaldehyde resin 10.0

Dibutyl phthalate (plasticizer) 5.0

Camphor (plasticizer) 3.0

Ethyl acetate (solvent) 25.0

Butyl acetate (solvent) 23.5

Toluene  20.0

Titanium dioxide 0.5

22  

(a) Draw a process flow diagram of the process described above. (b) Determine  the quantities of  the components  that must be added  to produce  the  final 

3000 GPH of nail polish. (c) What  is  a  problem with  using  Toluene‐sulfonamide‐formaldehyde  resin?  Is  there  an 

alternative?  

 

 

 

    

23  

  

Solution F&R 4.2‐KZ‐ (Nail Polish) (a)  

(b) BASIS: 3000 GPH 

Total Mass Balance: 

 

TOTAL 3000 GPH 

N TSF P EA BA T TD 1.0 

Components: 

TSF:  

TOTAL TSF 

TSF 0.1 3000 GPH 300 GPH  

P: 

TOTAL  

0.08 3000 GPH 240 GPH  

EA:  

 Mill 

 Mixer 

 Mixer 

 

TD 

 

EA, BA, TTSF 

Water 15°C, 5 GPM 

Water 15°C, 5 GPM 

Nail Polish

24  

TOTAL EA 

0.25 3000 GPH 750 GPH  

BA:  

TOTAL BA 

0.235 3000 GPH 705 GPH  

T: 

TOTAL T 

0.2 3000 GPH 600 GPH  

TD: 

TOTAL TD 

0.005 3000 GPH 15 GPH  

N:  TOTAL N 

0.13 3000 GPH 390 GPH 5% N Loss:  You have to account for the 5% residue loss in the mill by adding 5% more N to the feed to get the proper final compositions.  

390 GPH1 0.05 410.5 GPH  

(c) Students would have to research the drawbacks of using Toluene‐sulfonamide‐formaldehyde resin from the web, patents, or journal articles. Acceptable answers are as follows: 

• Toluene‐sulfonamide‐formaldehyde resin is a carcinogenic formaldehyde.1 • Many cases of allergic contact dermatitis to the toluene sulfonamide formaldehyde 

resin present in nail polish. 2 

                                                       1 R. Rossomando, “Finger Nail Lacquer,“  U.S. Patent 4179304. December 18, 1979.  2 E. Paltzik RL, “Onycholysis secondary to toluene sulfonamide formaldehyde resin used in a nail hardener mimicking onychomycosis,”European Journal of Dermatology, 1980 Avaialble : http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/7379596 

25  

• The most popular resin is toluene‐sulfonamide‐formaldehyde, however, it is the source of allergic contact dermatitis in some nail enamels. Hypoallergenic nail enamels use polyester resin or cellulose acetate butyrate.  

 

26  

F&R‐4.3‐KW (Salicylic Acid Production)  

Salicylic acid (C7H6O3) is the active ingredient in many over‐the‐counter acne treatments and wart removal ointments.  One method1 of producing salicylic acid is by acidifying sodium salicylate (C7H5NaO3) using HCl:  

C H NaO s HCl g C H O g NaCl s   A  feed  of  13.3  kg/h  of  solid  sodium  salicylate  is  combined with  a  gaseous  stream  primarily composed  of  an  inert  gas  and  HCl  in  a  reactor  (R1).    All  of  the  HCl  reacts  for  79 mol  % conversion of sodium salicylate to salicylic acid.  The products of R1 enter a filter (F1) where the gaseous components are separated.  The gases are sent to a condenser (C1) before entering a second filter (F2).  C1 condenses the salicylic acid, and F2 removes 98 mol % salicylic acid.  The gases  exiting  the  filter  are  dehumidified  (D1)  and  passed  through  a  heat  exchanger  (HX1).  Before entering the heat exhcanger, the  inert gas  is added as needed to maintain the proper flow volume.  A fresh stream of HCl and the solids removed in F1 are added to the gases exiting HX1 before entering a reactor  (R2).   R2  is designed to retain the solid sodium salicylate.   The stream exiting R2 enters a filter (F3) to remove the NaCl.  The gaseous stream exiting F3 is the stream the solid sodium salicylate is being added to before entering R1.       

(a) Draw and label a flowchart of the process using the process identifiers given above. (b) What is the rate (kg/h) at which HCl is being added to the system? (c) What is the rate (kg/h) at which NaCl is removed in F3? (d) Calculate the small amount (kg/h) of salicylic acid recirculated through the system. 

 

    

                                                       1 E. R. Moore, R. L. Briggs, D. C. McDonald, and R. Hoffman, “Process for Making Pure Salicylic Acid,” U. S. Patent 4,137,258, January 30, 1979. 

27  

Solution F&R‐4.3‐KW (Salicylic Acid Production)  

(a) The diagram for the process is shown below with the streams labeled with the components present in each stream.  It was assumed that nitrogen was used as the inert gas in the process, but students could simply label the diagram with a stream designated as “Inert Gas”. 

 

 

(b) The HCl added to the system reacts completely with C7H5NaO3 in R1 in a 1:1 molar ratio. It is known that there is a 79 mol % conversion of C7H5NaO3.

Calculate the moles of C7H5NaO3 entering the system:

C H N O 13.3 kgh

1000 gkg

mol160.11 g 83.07

molh

The number of moles of HCl entering the system is equal to the number of moles reacting in R1.  Use the conversion to calculate the number of moles of C7H5NaO3 that react in R1:  

HC 0.79 C H N O 0.79 83.07 mol

h 65.63 mol

h  

  Convert to mass:  

R1  F1 C1  F2 

F3  R2  HX1 D1 

C7H5NaO3 (s) 

N2 (g) HCl (g) C7H6O3 (g) 

N2 (g) C7H6O3 (g) 

H2O (l)

N2 (g) C7H6O3 (g) H2O (g) 

C7H6O3 (g) 

H2O (l)

N2 (g)

C7H5NaO3 (s) NaCl (s) 

N2 (g) C7H6O3 (g) 

HCl (g)

N2 (g) NaCl (s) C7H6O3 (g) HCl (g)  

NaCl (s) 

C7H5NaO3 (s) N2 (g) NaCl (s) C7H6O3 (g) 

N2 (g) C7H6O3 (g) H2O (g) 

28  

HC 65.63 mol

h36.46 g

molkg

1000 g 2.39 kgh  

 (c) All of the NaCl produced in R1 passes through F1 and R2 before being completely 

removed by F3.  Therefore, assuming steady‐state operation, the rate at which NaCl is produced should equal the rate it is removed from the system by F3 so there is no accumulation of NaCl.  For every mole of C7H5NaO3 reacting in R1, 1 mole of NaCl is produced.   

N C 0.79 C H N O 0.79 83.07 mol

h 65.63 mol

h  

 Convert to mass:  

N C 65.63 mol

h58.443 g

molkg

1000 g 3.84 kgh  

 (d) Because F2 filters 98 mol % of the C7H6O3 out, the remaining 2% is recirculated back 

through the system.  For the following calculations, the small amount of C7H6O3 will be referred to as  C H O .  Perform a component mole balance around F2 for C7H6O3.  

  

C H O C H O 0.98 C H O C H O C H O   Where   is the number of moles produced in R1.  

65.63 mol

h C H O 0.98 65.63 mol

h C H O C H O  

 

C H O 1.339 mol

h  

Convert to mass:  

C H O 1.339 mol

h 138.12 g

molkg

1000 g 0.185 kgh  

 

 

   

29  

 

 

F&R‐4.6‐VD (Calcium Carbonate)  

Caltrate Plus is a calcium dietary supplement. As well as calcium carbonate it contains vitamin D to help increase calcium absorption, magnesium to help maintain strong bones, zinc and copper manganese for bone development and boron to help the body use the calcium. A Caltrate Plus tablet contains 1500 mg of CaCO3.

1 When a  tablet  is  ingested,  it reacts with  the hydrochloric acid  in  the  stomach. What mass of hydrochloric acid  is needed  to  react  completely with  the calcium carbonate contained in one tablet of Caltrate Plus? 

CaCO 2HCL CaCl H O CO  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                       1 "Supplement facts ,"  Wyeth Consumer Healthcare, 2010. :http://www.caltrate.com/products/caltrate600d_lbl.asp. [Accessed March 29, 2010] 

30  

 

31  

Solution F&R‐4.6‐VD (Calcium Carbonate)  

Finding the molecular weight of CaCO3 

40.078 g 12.01 g 3 15.99 g 100.58 gmol 

Finding the number of mol of CaCO3  present in one tablet 

0.6 g1 mol

100.58 g 0.0059 mol 

Stoichiometry  

2 mol of HCl reacts with 1 mol of CaCO  

2 0.0059 mol 0.012 mol HCl needed 

Finding the molecular weight of HCl 

1.007 g/mol 35.45 g/mol 36.46 gmol 

Finding mass of HCl needed 

0.012 mol36.46g1 mol 0.435 g or 435 mg of HCl  

It takes 435 mg of HCl to dissolve 600 mg of CaCO3. 

   

32  

 

Chapter 5  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

33  

F&R‐5.1‐KW (Mouthwash Formulation)  

The table below lists a possible formulation1 for an over‐the‐counter (OTC) mouthwash.  The α‐bisabolol  is an antibacterial agent2, cremophor RH 40  is a solubilizer3, glycerol and  saccharin salts are used as sweeteners4, and the ethanol is the bulk liquid. To form the product, a mixture of items 1‐3 are heated to approximately 60˚C and then added to a mixture of items 4‐6.      

Item #  Material  Quantity(g/L) 1  α‐Bisabolol, racemic  10 2  Flavor  100 3  Cremophor RH 40  60 4  Glycerol   10 5  Saccharin Sodium  2 6  Ethanol (96%)  818 

 (a) Assuming additive volume, calculate the density of the solution of glycerol and ethanol 

before the saccharin sodium is added. (b) Calculate the density of the same solution by taking the average of the pure component 

densities.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                       1 S. K. Niazi, Handbook of Pharmaceutical Manufacturing Formulations: Over‐the‐counter products, Editions 2, Vol. 5. Boca Raton, FL: CRC Press LLC, 2004. 2 Coasty Resource Canada—Industrial Solution for raw materials, “Bisabolol—natural alpha bisabolol,” [Online]. Available: http://www.coasty.com/others/Bisabolol.html. [Accessed: Feb. 7, 2010]. 3 BASF, Pharma Solutions Cremaphor RH 40.  BASF, 2007. 4 R. W. Thomas, J. M. Weaver, and M. Sapone, “Oral Mouthwash Containing Zinc and Glycine,” U. S. Patent 4,339,432, July 13, 1982. 

34  

Solution F&R‐5.1‐KW (Mouthwash Formulation)  

 (a) Assuming additive volume, the density of the solution is calculated using Equation 5.1‐1: 

 

 Calculate the mass fractions of the two components: glycerol (Glyc) and ethanol (EtOH)  

∑  

 

GG

G E OH

10 g10 g 818 g 0.012 

 

E OHE OH

818 g10 g 818 g 0.988 

 The students must do some research to determine the densities of the glycerol and ethanol (96%).  The MSDS for glycerol indicates it has a density of 1.26 kg/L.  The MSDS for a 96% aqueous solution of ethanol indicates it has a density of 0.8051 kg/L.  Assuming constant properties:  

1 0.0121.26 L

0.9880.8051 L

1.237 L

kg 

 1

1.237 L 0.808 kgL  

 (b) To estimate the density using the average of the pure component densities, use 

Equation 5.1‐2: 

 

 

0.012 1.26 kgL 0.988 0.8051

kgL  

 

0.811kgL  

   

35  

F&R‐5.2‐KZ (Spray Drying of Acetaminophen)1   Wet API Mixture         75% H2O     

           Inlet Air       Spray Dryer             Wet Air        220°C, 6 Bar                  513.6 m3/hr                     1 atm @ 80°C  

                    Solids 

Spray drying is one of the major industrial drying technologies. It converts a liquid product into a dried powder  in a single step. This process consists of a  liquid, containing dissolved particles and hot air entering a dryer where there  is a spray nozzle or atomizer. The mist  is contacted with the hot air, evaporating most of the  liquid,  letting the dried particles exit the dryer from the bottom.2 

Pharmaceutical industries use the technique of spray drying to dry and agglomerate powder, in which  a  homogenous  powder  can  become  free‐flowing.  The  free  flowing  properties  are important  to  achieve  a  continuous  production  process  of  solid  dosage  forms  containing  the active  pharmaceutical  ingredient  (API).3  Acetaminophen  is  a  common  API  used  to  reduce fevers.  It  is the active  ingredient  in many over‐the counter medicines. Although  it  is similar to aspirin,  it  lacks aspirin's anti‐inflammatory and blood‐thinning effects,  is  less  irritating  to  the stomach, and can be used by people who are allergic to aspirin. 

The powder containing the API, is produced in a spray dryer 1.95 m in height with a diameter of 2.67 m. Air enters at 220° C and 6 bar. The wet mixture  is fed to the atomizer contains 75 % water by mass, all of which that evaporates. The outlet gas contains 0.81% mole% of water and leaves  the  chamber at 80 degrees C and 1 atm  (absolute) at a  rate of 513.6 m3/hr. Assume spray dryer is cylindrical. 

(a) Calculate the production rate of the powder and the volumetric flow rate of the inlet air.  (b) Assuming the mixture is binary of acetaminophen (S) and water, calculate the 

percentage condensation along with the final gas‐phase composition.  

                                                       1 Adapted from F&R Chapter 5, 5.13. 2 Moller, “A Primer on Spray Drying,” Chemical Engineering, November 2009. [Online]  Available: http://www.che.com/processing_and_handling/sep_gas_solid_and_liquid_solid/dryers/A‐Primer‐on‐Spray‐Drying_5237.html 3 Y. Gonnissen, “Compressing via spray drying as a formulation platform to improve the compactability of various drugs,” European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, Volume 69, 320‐334, November 2007.  Available: Science Direct 

36  

Solution F&R‐5.2‐KZ (Spray Drying of Acetaminophen)  

     (kg/hr)                     513.6 m3/hr, 1 atm, 80°C   0.75 kg H2O/kg                              (kmol/hr)   0.25 kg S/kg                  0.0081 kmol H2O / kmol 

                      0.9919 kmol dry air / kmol  

          (kmol/hr)           (m3/hr)                     (kg S/hr)          220°C, 6 bar   (a) 

 

 1 atm

353.2 K 513.6 m

hrkmol K

0.08206 m atm 17.72 kmol/hr 

 

H2O Mass Balance:  

 

0.7517.72 kmol air

hr 0.0081 kmol H O

kmol air 18.02 kg

kmol  

3.45kghr API mixture 

S(olids) Mass Balance: 

 0.25 3.45 kg/hr 0.86 kg S/ hr 

Dry Air Mass Balance: 

  0.9919 17.72 kmol / hr 17.58 kmol / hr air 

RTP

513.6mhr  

37  

17.58 kmol hr

0.08206 m atm kmol K

493.2 K 6 bar

1.01325 bar 1 atm 120.15

m airhr  

b.  Calculate the mass rate of water going in: 

 

3.45kghr 0.75 2.58 kg H O/hr 

 

Calculate the mass rate of Solids(s) going in: 

 

3.45kghr 0.25 0.86 kg S/hr 

 

Calculate the water that condenses: 

 

0.143 kmol H2Ohr .0081 kmol H2O

hr0.143 kmol H2O

hr95% condenses  

 

Final gas phase composition (water): 

 

 

0.0081 kmol H Okmol air

18 kgkmol

17.72 kmol airhr 2.58

kg H Ohr  

 

    

38  

F&R‐5.2‐KW (Effervescence Problem)  Alka‐Seltzer®  is  an  over‐the‐counter  (OTC)  medicine  used  to  treat  acid  indigestion,  sour stomach,  and  heartburn with  headache,  body  aches  and  pain1.    The  active  pharmaceutical ingredients  (API)  in each Alka‐Seltzer®  tablet are aspirin  (325 mg), citric acid  (1916 mg), and sodium bicarbonate (1000 mg)1.  For a single dose, two Alka‐Seltzer® tablets are dissolved in 4 ounces of water.  When placed in water, the following reaction occurs:  

C H O aq 3NaHCO aq 3H O l 3CO g Na C H O aq                          Citric acid  Sodium 

bicarbonate (baking soda) 

                                                 Sodium citrate 

 

 (a) What volume of CO2 gas would be produced by a normal dose of Alka‐Seltzer® dissolved 

in 4 ounces of water at 25˚C and 1 atm?  Assume the reaction goes to completion.  

(b) You wake up feeling miserable before your chemical engineering final, but you know you can’t miss it.  You grab some Alka‐Seltzer® and an 11 oz bottle of water.  You drink just enough water to leave exactly 4 fl oz left in the bottle (you’ve had lots of practice with this).  Then you drop in the two tablets, cram the lid onto the bottle, and rush out the door.  Assume the temperature remains constant at 25˚C.  Calculate the pressure inside the bottle.  Neglect the volume of the tablets.  

(c) Determine the reasonability of assuming ideal gas behavior in parts (a) and (b).    

                                                       1 Alka‐Seltzer®, “Alka‐Seltzer® Original,” Bayer HealthCare. [Online]. Available: http://alkaseltzer.com/as/as_original.html. [Accessed: Feb. 15, 2010]. 

39  

Solution F&R‐5.2‐KW (Effervescence Problem)  

(a) To calculate the volume of CO2 produced, you must first calculate the number of moles of CO2 produced by  the  reaction.   Begin by  calculating  the moles of  reactants  in one Alka‐Seltzer®  tablet.   Citric acid  (C6H8O7, M = 192.124 g/mol) and sodium bicarbonate (NaHCO3, M = 84.01 g/mol) are the only APIs reacting.  

C H O 1000 mg C H O1 mol C H O

192.124 g C H O1 g

1000 mg5.205 10 mol C H O  

 

N HCO 1916 mg NaHCO1 mol NaHCO

84.01 g NaHCO1 g

1000 mg2.281 10 mol NaHCO  

From these calculations, it can be seen that C6H8O7 is the limiting reactant.  Therefore, the stoichiometric calculations to determine the CO2 produced by one tablet will be based on C6H8O7. 

CO 5.205 10 mol C H O3 mol CO

1 mol C H O 1.562 10 mol CO  

Assuming ideal gas behavior, volume of CO2 produced by one tablet is: 

1.562 10 mol 0.08206L··K 298 K

1 atm 0.382 L 

A normal dose consists of 2 tablets, so the answer to the question is: 

2 0.382 L 0.762 L  

(b)

 

 

 

 

 

 

4 fl oz H2O

7 fl oz gas 

VTotal = 11 fl oz

40  

To calculate the pressure inside of the sealed bottle, you must first calculate the total number of moles present. 

 

Calculate nair based on the volume of air present before the tablets are added when V = 7 fl oz and P = 1 atm.  Assuming ideal gas behavior: 

7 fl oz1 gal

128 fl oz28.317 L

7.4805 gal 0.207 L 

1 atm 0.207 L0.08206 L·

·K 298 K8.465 10 mol air 

8.465 10 mol 2 1.562 10 mol 3.971 10 mol 

Now that we know the moles of gas present in the bottle after the reaction, we can calculate the pressure.  The volume is still 0.207 L of gas, but because there are more moles present, the pressure will be higher.  Assuming ideal gas behavior again yields: 

T 3.971 10 mol 0.08206 L··K 298 K

0.207 L 4.691 atm  

(c) Assuming ideal gas behavior for part (a) was reasonable because the gas was at a temperature above 0˚C and at atmospheric pressure.  Confirm using Criterion 5.2‐3b: 

0.382 L1.562 10 mol 24.456

Lmol 20

Lmol

This indicates the ideal gas EOS should yield an error less than 1%. 

 

Similarly, it was reasonable to assume ideal gas behavior for the first part of part (b) when calculating the moles of air in the bottle before the reaction occurred.  Confirm using Criterion 5.2‐3b: 

0.207 L8.465 10 mol 24.453

Lmol 20

Lmol

41  

However, the solution to part (b) indicates the pressure inside the bottle was almost 5 times greater than atmospheric pressure.  At a higher pressure, the ideal gas assumption may become less accurate.   

0.207 L3.971 10 mol 5.213

Lmol 20

Lmol

Criterion 5.2‐3b indicates the ideal gas EOS is predicting a value with more than a 1% error and therefore, the solution may not be reliable. 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

42  

F&R‐5.2‐KZ (Yeast Fermentation and Spray Drying) Fermentation is a process consisting of the conversion of a carbohydrate, such as sugar, into an acid or an alcohol. More specifically, fermentation can refer to the use of yeast to change sugar into  alcohol  or  the  use  of  bacteria  to  create  lactic  acid  in  certain  foods.1 Many  common everyday items undergo the process of fermentation such as beer, buttermilk, cheese, vinegar, yogurt,  liquor  and wine.  The  industrial  lager‐type  yeast  strain  Saccharomyces  carlsbergensis BH092 is usually used in the fermentation of low malt beer.2  

The continuous fermentation process has a fermentor volume of 5 m3 with a residence time3of 20 hours.4   Residence time  is how fast  it  is moving through a system  in equilibrium. The yeast cells are grown in a culture medium5, the nutrient solution in which cells or organs are grown, which is 5% inoculum, cells used in a culture to start growth. 6 The inoculum contains 1% yeast. This  enters  through  the  fermentor  where  the  yeast  is  growing  at  a  doubling  time  of  300 minutes.7 The doubling time  is the period of time required for a quantity of cells to divide, or double  in  size  or  value.8  This  liquid,  assume  to  be  properties  similar  to  water,  leaves  the fermentor  and  enters  continuously  into  a  centrifuge.  There  are  two  products  from  the centrifuge; a yeast enriched stream containing 5% yeast, which  is 98% of the total yeast from the liquid entering, and a residual liquid stream.  

(a) Calculate the rate the yeast substance is leaving from the centrifuge. (b) Calculate the rate of the residual liquid leaving from the centrifuge. (c) Calculate the yeast concentration in the residual liquid. (d) The yeast enriched stream enters a spray dryer to dry the excess liquid from the yeast.  

Air enters at 160°C  9 and 6 bar. The yeast enriched mixture  that  is  fed contains 95 % water by mass, all of which that evaporates. The outlet gas contains 1 % mole of water and leaves the chamber at 85°C and 1 atm (absolute). Calculate the volumetric flow rate of wet air out the spray dryer and the volumetric flow rate of the inlet air.  

                                                       1 D. Klein, L. Prescott, and J. Harley, Microbiology, Prescott, New York: McGraw‐Hill, 2005. 2 M. Kobayashia, “Physiological analysis of yeast cells by flow cytometry during serial‐repitching of low‐malt beer fermentation,” Journal of Bioscience and Bioengineering, volume 103, 451‐456, 2007. Available: Science Direct 3 Allaby, “Residence time”, A Dictionary of Earth Sciences,1999, [Online].  

Available: http://www.encyclopedia.com/residence time 4 Yamauchi , “Rapid maturation of beer using an immobilized yeast bioreactor,” Journal of Biotechnology, vol 38,  January 1995. Available: Science Direct 5 "Medium,”Biology Online, Science Network, 2008. Available: http://www.biology‐online.org/dictionary/Medium 6 “Inoculum,”Biology Online, Science Network, 2008. Available:http://www.biology‐online.org/dictionary/Inoculum 7 “Saccharomyces Database,” School of Medicine, Stanford University, 2009 [Online].  Available: http://www.yeastgenome.org/ 8 “Doubling Time,”Biology Online, Science Network, 2008. Available: http://www.biology‐online.org/dictionary/ Doubling_time 9 G. Luna‐Solano, “Optimization of brewer’s yeast spray drying process,” Journal of Food Engineering, volume 68, Pages 9‐18, May 2005. Available: Science Direct 

43  

           Inlet Air   160°C, 6 Bar       

      F1                           F3                   F2                      Yeast                                                Wet Air 

                                             85°C, 1 atm 

                                                  F4           Solid Yeast                      Residual Liquid              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

Spray Dryer fermentor medium  centrifuge

44  

Solution F&R‐5.2‐KZ (Yeast Fermentation and Spray Drying) (a) Calculate the flow rate out of the fermentor by volume and residence time: 

 

fermentor volumeresidence time

5 m20 hrs 0.25

mhrs 

Convert to mass flow rate by assuming density of water: 

flow rate liquid mass flowrate 

0.25mhr

1000 kgm

250 kghr  

Calculate the yeast concentration that is entering the fermentor from the medium (F1YEAST): 

yeast concentration in inoculum dilution of inoculum yeast concentration 

0.05 0.01 0.0005 kg of yeast

kg of medium  

The yeast has a doubling time of 5 hours, so the exponent is calculated by the amount of time in the fermentor: 

residence timedoubling time

16 hrs5 hrs 3.2  

1 kg yeast grows to 2  

1 kg yeast grows to 2 . kg 9.19 kg yeast 

Calculate the amount of yeast leaving the fermentor in F2 (F2YEAST): 

growth rate  

0.0005 9.16250 kg

hr1.145 kg

hr F  

Calculate the flowrates leaving the centrifuge (F3): F3 is 5% yeast, this being 98% of total yeast: 

% total yeast used  

1.145 kg yeast

hr 0.981.221 kg yeast

hr  

45  

5% 1.221 kg yeast

hrF

5100 

24.42 kghr  

(b) Yeast in Residual Liquid leaving fermentor: 1 0.98  

1.145 kg yeasthr 0.02 0.023

kg yeasthr  

(c) Calculate F4 by a material balance on the centrifuge:  

 

250 kghr

22.42 kghr

227.58 kghr  

Yeast concentration in residual liquid: 

F YEAST 0.023 kg/hr227.58 kg/hr 0.0001 100 0.01% yeast in residual liquid  

 

(d)  

     = 24.42 (kg/hr)              , 1 atm, 80°C   0.95 kg H2O/kg                  (kmol/hr)   0.05 kg yeast/kg             0.01 kmol H2O / kmol 

                                 (kmol/hr)               (kg S/hr)           (m3/hr)                       160°C, 6 bar   H2O Mass Balance:  

H O H O  

 

0.95 24.42kghr

n kmol airhr

0.01 kmol H Okmol air

18.02 kgkmol  

46  

128.6 kmolhr  

 

 

128.6 1 atm358.2K

mhr

kmol K0.08206m atm 

 

3727.29mhr  

 

Dry Air Mass Balance: 

  0.99 128.6 kmol / hr 127.35 kmol / hr air 

 

127.35 kmol hr

0.08206 m atm kmol K

433.2 K 6 bar

1.01325 bar 1 atm 764.5

m airhr  

 

 

 

 

   

47  

Chapter 6  

 

 

 

 

   

48  

F&R‐6.3‐KM (Cox Chart and Raoult’s Law for Evaporation) As you may know from organic chemistry labs, acetone is commonly used to clean surfaces of residues;1 it is also used as a cleaning solvent in industrial organic chemistry operations (such as biological  preparations,  pharmaceutical  production,  etc.).  As  you  may  also  know  from experience, an acetone spill tends to evaporate rapidly. 

(a) Use the Cox chart to estimate the vapor pressure of acetone in your organic laboratory. (b) Determine the level of acetone in the air immediately above a “wash beaker” of acetone 

in an organic chemistry laboratory. (c) Safety  requires  that  the  air  in  a  location  holding  chemicals  is  completely  refreshed 

within  a  certain  time, or  (equivalently)  that  the  air be  changed  so often within  a  set time. The  latter, as  the air  change  rate,  is  the more often used metric. Assume  your laboratory  uses  the  conventional2    5  air  changes  per  hour  (ACH)  and  determine  the amount of time required for your acetone to completely evaporate from the beaker. 

(d) Other3  common  solvents  used  for  various  purposes  in  pharmaceutical manufacturing are  methanol,  ethanol,  hexane  and  toluene.  Find  the  vapor  pressures  of  these compounds at room temperature and speculate on the appropriateness of using them in pharmaceutical production. Show all the considerations you used in making the list. 

(e) Briefly speculate on (i) Why  pharmaceutical  plants  (and many  others  as well)  are  usually  cooled well 

below4 the normal 72 °F. (ii) The physical significance of the slopes of the lines on the Cox chart. 

                                                       1 Fieser, L. F., Experiments in Organic Chemistry. Boston: D. C. Heath and Company, 1941. 2 Applications Team / Lawrence Berkelely National Laboratory. (2008, Sept) A Design Guide for Energy ‐ Efficient Laboratories. [Online]. http://ateam.lbl.gov/Design‐Guide/DGHtm/roomairchangerates.htm 3 Raghani, A. R., "High‐speed gas chromatographic analysis of solvents in pharmaceuticals using solid phase microextraction," Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, vol. 29, no. 3, pp. 507‐518, Jul 2002. doi:10.1016/S0731‐7085(02)00085‐7 4 Applications Team / Lawrence Berkelely National Laboratory. (2006, Nov) Energy Efficiency Cleanroom Information SIte. [Online]. http://ateam.lbl.gov/cleanroom/ 

49  

Solution F&R‐6.3‐KM (Cox Chart and Raoult’s Law for Evaporation) This problem is meant primarily to use the Cox chart, but also touches Raoult’s Law and some simple mass equations.  

(a) This requires an immediate assumption: What was the temperature in the lab? In most cases,  recording  this  (along  with  the  pressure)  is  either  part  of  the  experimental procedure or a given. For this example, 25 °C will be used since it is the common “room temperature”  of  the metric  system  (compare  72  °F  in  American  Engineering).  Using Equation 3.5‐4 to convert it to Fahrenheit (required to use the supplied Cox chart): 

°F 1.8 °C 32 

°F 1.8 25 °C 32 

°F 1.8 25 °C 32 

°F 45 32 

77 °F 

Going to the Cox chart, we find (most likely using a straightedge of some sort) that the 

vapor pressure for acetone at 77 °F is about 4.5 psia. 

(b) First  we  have  to  find  out  what  “level  of  acetone”  actually  means,  since  it  is  a (deliberately) vague expression. Taking the data given, the easiest value to calculate  is the mole fraction by means of Raoult’s Law. We will assume that the air “immediately” above the beaker  is close enough to be saturated with acetone, allowing us to use the saturated equation, Equation 6.3‐1: 

 

 

Assuming the standard atmosphere (14.696 psi) 

4.5 psia14.696 psia 

0.306  

(c) To perform this, we first make the assumption necessary to use the data given: we can model  the air‐acetone beaker process as  simply as needed  to enable use of  the data given. Once done, we can now  lay out a path to the solution. To know how  long  it will 

50  

take  to  remove  the  acetone  from  the  beaker,  we  need  the  amount  removed  by evaporation to the air. Since we have a mole fraction, we need a molar amount or molar flow  rate.  Since  the  fraction  is  that of  the  air  above  the beaker, we must obtain  the amount of substance present in that vaguely defined region. The size of this area must be  individually  assumed unless  it  is  stated by  the professor;  to make  it easy, we will assume 100 mL. 

Now  we must  change  this  volume  into  a molar  amount.  Since  this  is  at moderate temperature and pressure, the ideal gas law (Equation 5.2‐1) is appropriate: 

 

 

If we assume standard conditions (25 °C, 1 atm), we obtain: 

1298

1K 1 atm 500 mL

11000

LmL

10.08206

mol · KL · atm 

0.0204 mol 

Now we can use the air change rate to determine the molar flow. We first reason 5 ACH into usable units.  If we assume that the entire air of the  lab  is refreshed with new air (containing no acetone), we can say that the 0.0204 moles of gas immediately above the beaker are changed 5 times in every hour or: 

5 changes1 hour

1 change1

5 hour1 change

12 minutes 

1 change12 minutes 0.0204 mol 0.0017

molmin 

Using the mole fraction, we determine the mole fraction of acetone: 

0.0017 molmin 0.306 

0.00052 molmin 

Now we convert the liquid volume in the beaker to amount of substance (moles). The specific gravity and molecular mass are obtained from Table B.1: 

51  

50 mL0.791

1 cmg

1cmmL

158.08

molg  

0.681 mol 

Now we take the ratio and find our answer: 

0.681 mol

0.00052 molmin

 

1310 min 21 h  

(d) The first part of this problem is simple Cox chart reading and we obtain: 

M OH 25 °C 2.5 psia  

E OH 25 °C 1.1 psia  

C 25 °C 3.0 psia  

T 25 °C 0.5 psia  

The second part of this is open ended. While the highest vapor pressure is generally the best  for applications where evaporation  is not desired and  the  lowest  for applications where  it  is  desired,  other  factors  must  be  observed,  such  as  reactivity  with  other compounds, toxicity, ease of removal from product, cost, environmental impact, etc. 

(e) This  is  purely  open  ended  speculation.  Students  will  probably  like  this more  if  you explicitly let them type their answers to these questions.  

(i) Besides  the  obvious  (by  now)  prevention  of  evaporation  of  solvents,  students who have taken biology courses should know that organisms grow more slowly at  lower  temperatures.  Humans  sweat  less  at  lower  temperatures,  which  is significant in sterile areas. 

(ii) The slopes of the  lines  indicate the magnitude of the change  in vapor pressure for  a unit  change  in  temperature. While  some  lines  are  slightly nonlinear,  the overall  linearity  is  similar  to  the  Clausius‐Clapeyron  equation,  especially  the logarithmic  ordinate  for  vapor  pressure.  The  slope  of  the  line  would  then 

correspond to the coefficient of T (∆

), however C‐C uses inverse T. 

   

52  

F&R‐6.5c‐KM (Medicinal Shampoo and p* Manipulation) Shampoos are composed principally1 of a surfactant (essentially soap), with various other functional (plasticizers, binders, fillers) and decorative (lather enhancers, fragrances, colors) ingredients added to suit specific regulation or marketing demands. 

Trichologic (hair/scalp) complaints are frequently treated by the use of medicated shampoos, which contain some effective ingredient for treating the condition. 

Two popular surfactants (which you may have seen on the ingredient list of shampoo) are sodium lauryl and sodium laureth sulfate. You are researching the feasibility of including pyrithione zinc, a common anti‐dandruff medication, in the new surfactant sodium hesketh sulfate2 (SHS). The solution of pyrithione zinc in SHS has a markedly lower vapor pressure than pure SHS, which is fortunate since SHS boils at a low enough temperature (80 °F) already. 

If the heat of vaporization of sodium hesketh sulfate is 15 kJ/mol determine the lowest viable molar fraction. Remember this is going to be used in hot showers as well as stored at room temperature.   

                                                       1 Wolf, R., Wolf, D., Tuzun, B, and Tuzun, Y., "Soaps, shampoos, and detergents," Clinics in Dermatology, vol. 19, no. 4, pp. 393‐397, 2001. doi:10.1016/S0738‐081X(01)00193‐6 2 Made up (obviously) 

53  

Solution F&R‐6.5c‐KM (Medicinal Shampoo and p* Manipulation) This is an exploration of colligative solution properties and an examination of possible applications of this interaction. 

By reading the problem statement we see that we need to determine boiling point temperature as a function of composition of a solution of SHS and pyrithione zinc. We immediately repair to Section 6.5c (colligative solution properties) and see Equation 6.5‐4: 

∆∆

 

Since we need to find out what amount of pyrithione zinc in SHS will raise the boiling temperature to a reasonable value, it makes sense to rearrange the equation: 

∆ 

It should be obvious to students (possibly after a suggestion, if they don’t like or didn’t have graphical algebra) that this is slope‐intercept form: 

 

Because it looks ugly and takes some time to calculate, it is worth simplifying the coefficient: 

∆8.314

Jmol · K 80 459 °R

115

molkJ

11.8

KR°

11000

kJJ 89 R° 89 F° 

Note the necessity of converting to an absolute temperature scale (Rankine, as shown here, or Kelvin) to match the absolute temperature scale of the gas constant. Also note the equivalency of Rankine and Fahrenheit degrees. 

Putting this into our equation: 

89 80 °F 

Now we are faced with a practical problem: What constitutes “viable” for the purposes of this problem? What temperature range should be considered appropriate? OSHA says that water should not be less than 50 °C at the showerhead to prevent incubation of Legionnaire’s Disease1, however this is scalding.1 Assuming that people won’t care if their shampoo boils when they are already being scalded, we take 50 °C as the minimum temperature. 

                                                       1 Occupational Health and Safety Administration. (2008, Nov) OSHA Technical Manual. [Online]. http://www.osha.gov/dts/osta/otm/legionnaires/faq.html 

54  

Using Equation 3.5‐4, we convert: 

°F 1.8 °C 32 

°F 1.8 50 °C 32 

°F 122 °F 

And now substituting: 

122 8089  

0.47  

It is left to the student to suggest that this is a rather high fraction for a solute in a solution. 

   

                                                                                                                                                                               1 Cerovac S., and Roberts, A. H. N., "Burns sustained by hot bath and shower water," Burns, vol. 26, no. 3, pp. 251‐259, May 2000. doi:10.1016/S0305‐4179(99)00127‐8 

55  

F&R‐6.6b‐KM (Triangle Phase Diagrams) Not all phase diagrams display  states of matter. The  following phase diagram  (from Minardi, Shculz and Vuano1) displays particle formation at constant conditions (T and P). 

z  

The  system  described  is  that  of  dodecyltrimethylammonium  bromide  (DTAB),  disodium dodecanephosphonate  (DSDP),  and water.  The  first  two  are  surfactants which  serve  as  the active ingredient in detergents and see use in oil recovery and drug carriers. The regions of the diagram  indicate  the aggregate  form of  the  surfactants at  that concentration. At nearly pure water the surfactant molecules are freely floating in the water, unable to contact one another. Below this, spherical micelles and, eventually, rods form. 

The following is a proposed process. Determine the state of the system at each point; assume it actually occurs. The diagram is marked in weight percent. 

1. Pure water (4 kg) is invaded with a 70:30 (by weight) mixture of 10 g DTAB and DSDP 2. The solution is heated and 2 kg of water is driven off 3. A wet, nondissolving substance is added (this is the substance of interest) 4. About 100 g of water diffuses out into the solution 5. A froth of 1 g each of the surfactants and 600 g water is removed 6. ½ a mass percent of DSDP is removed without changing the water fraction 7. 100 g of DSDP is added 

   

                                                       1 Minardi, R. M., Schulz "Triangular phase diagram of the catanionic system dodecyltrimethylammonium bromide–disodium dodecanephosphonate–water," Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol. 197, no. 1‐3, pp. 167‐172, Feb 2002. 

56  

Solution F&R‐6.6b‐KM (Triangle Phase Diagrams) This problem illustrates uses of triangle phase diagrams beyond the water‐acetone‐MIBK one. 

1. First, the mass percents must be determined. If 70% of the surfactant mixture is DTAB, the 30% must be: 

DSDP 10 g0.300.70 4.29 g 

The total mass percents are then calculated to be 99.64%, 0.25% and 0.11%, which puts 

us in right to the left of the peak in the molecular solution region. 

2. Removing  2  kg  of water  results  in  new mass  percents  of  99.29%,  0.50%  and  0.21%, 

which is the first valley of the spherical micelle region. 

3. Since we have no data on addition or removal of water to the solution by this change, 

we assume none takes place and we are still in the spherical micelle region. 

4. The composition is 99.32%, 0.47% and 0.20%; still spherical micelles. 

5. This change moves us to 99.22%, 0.60% and 0.19%, in the rodlike micelle region. 

6. This calculation appears easy, but isn’t. This is actually done easier on the graph: holding water  constant  at  99.22%, DSDP  is  counted  from  0.60%  to  0.10%.  The  new  value  of 

DTAB (0.68%) is read off the graph.  The surfactants are yet in the rodlike micelle region. 

7. Trick! The DSDP scale only reads up to 1.0%. This phase diagram  is  infact only the very top of the entire phase diagram, which is needed to determine the formation present at these conditions. The rest of  the process  is not presented  for  that reason. The rest of the  diagram  IS  shown  in  the  article,  but  it  is not  the  intent  of  this  problem  to  force people to look it up, unless the professor requires it. 

The whole process is best shown graphically: 

   

57  

 

F&R 6.7‐KM (Sugar Decolorization) Sucrose  (common  sugar)  is  initially black or dark brown after extraction  from  sugar  cane;  to cater  to  public  taste  and  expectations,  almost  all  companies  decolorize  their  sugar. Decolorization  is performed by removing the dark color compounds from the refined sucrose. Traditionally this is done by adsorption using carbon from cow bones (called bone char or bone black)  as  adsorbant  because  it  is  inexpensive  and  reusable1.  However,  the  use  of  animal products in production is a controversial issue with vegetarians2. Your company is interested in producing sugar  for  this niche market. Because  it  requires  the  least alteration  to  the existing process, conversion to plant carbon is selected. 

Sugar color is measured in ICUMSA units (IU) as shown in the following graph3 of isotherms: 

 

Residual color refers to the amount of color present after adsorbtion. The ordinate shows the difference in color following adsorbtion. 

A residual color of 1500  IU  is the maximum allowable value and  less than 500  IU  is desirable. Determine the number of treatments with each carbon type needed for an initial color of 10000 IU. It may be helpful to draw a flowchart of the process to understand how this works.

                                                       1 Hertzog, E. S., and Broderick S. J., "Activated Carbon for Sugar Decolorization," Industrial and Engineering Chemistry, vol. 33, no. 9, pp. 1192‐1198, Sept 1941. doi:10.1021/ie50381a024 2 VegFamily. VegFamily magazine. [Online]. http://www.vegfamily.com/articles/sugar.htm 3 Mudoga, H. L., Yucel, H., and Kincal, N. S., "Decolorization of sugar syrups using commercial and sugar beet pulp based activated carbons," Bioresource Technology, vol. 99, no. 9, pp. 3528‐3533, Jun 2008. doi:10.1016/j.biortech.2007.07.058 

58  

Solution F&R 6.7‐KM (Sugar decolorizationDecolorization) This is a fairly simple problem with one curveball. You have to use the equations to work backwards from the strange units of the ordinate. 

For the first carbon (DCL320), we take the equation provided: 

3.365  

And apply our initial ideal value of 1000 

3.365 500 IU 

1683 IU 

This indicates that 1683 IUs worth of color were removed in the last adsorbtion, therefore the feed was 2183 IU. Repeating the calculation for this color level, in effect working out the second to last adsorber, produces: 

3.365 2183 IU 

7346 IU 

Adding the remainder gives 9529 IU. This is close enough to say that three stages of adsorbtion are necessary to obtain the desired result. The flowsheet of this process would be something like this: 

 

The difficulty for students is likely going to be in recognizing when the problem is specified enough to begin working (at the 3rd adsorber) and correctly reading the graphs. 

To determine the number needed to obtain only 1500 IU and also for doing the other 2 carbons the same procedure is followed. The results are presented in the table: 

59  

Carbon typeColor of 

output (IU) Adsorbers

500 31500 2500 31500 2500 41500 3

DCL320

750C5

DCL200 

In this process it can be seen that the first two types of carbon are functionally the same, while the third requires one additional adsorbtion stage. 

If you want to annoy or surprise your students, have them guess or  find out what  ICUMSA  is (Answer: International Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis). The former option may be an  interesting way  to get  students  to do  some  creative  thinking.  If one of  them has worked or knows about the sugar  industry already, have them give a  little  lecture on  it to the rest of the class. 

 

60  

Chapter 7  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

61  

F&R‐ 7.1‐KZ (Autoclave for Sterilization) In  the  food  industry,  it  is  vital  that  there  is  proper  sterilization  occurs.  Autoclaves  sterilize equipment and supplies by subjecting them to high pressure steam and are widely used in the food, microbiology, pharmaceuticals, medicine, cosmetics, and dentistry industries.1 

A food company is making a liquid baby formula in aluminum cans. In order to ensure sterility, the product and  the container are autoclaved.   There are 500 cans, at 100 grams each, each containing 0.75 kg of formula. The specific heat capacities for the can and formula, assumed to be  the around  the  same  as milk,  are 0.91  kJ/kg  °C2  and 3.77  kJ/kg  °C  3  respectively.    Steam enters  the  autoclave  at  atmospheric  pressure  and  100  °C.  From  the  steam,  the  cans  and formula were heated to 120 °C, and then cooled to 35 °C.  

(a) What does the pressure need to be set to in the autoclave, in order to raise the steam temperature to 120°C? Assume Ideal Gas 

(b)  How much cold water  is required to cool down these products  if  it  is entering at 12°C and leaving at 33°C? Assume no heat loss in the walls of the autoclave and a reference temperature of 35°C. 

(c) Which is the controlling factor, the metal can or the formula? If you were to neglect the can, how would that affect the water needed? 

(d) How would  the water mass be affected  if  the can was made out of plastic?  (Cp = 1.6 kJ/kg°C)4        Steam at 100°C, 1 atm                                  

    Cold Water, 12°C                Cold Water, 33°C 

            AUTOCLAVE 

 

          500 cans, 120°C                 500 Cans, 35°C 

                                                       1 “Autoclave,” Encyclopædia Britannic, 2010. [Online].  Available: <http://www.britannica.com/EBchecked/topic/44765/autoclave 2 “Specific Heats Metals,” The Engineering Toolbox. 2005, [Online]. Available: http://www.engineeringtoolbox.com/specific‐heat‐metals‐d_152.html 3 “Specific Heats: Food,” The Engineering Toolbox. 2005, [Online]. Available: http://www.engineeringtoolbox.com/specific‐heat‐capacity‐food‐d_295.html 4 F. Jun’ichi, “ Measurement of the Specific Heat Capacity of Plastic Waste/ Fly Ash Recycled Composite Using Differential Scanning Calorimetry,” Journal of Thermophysical Properties, volume 20, 166‐172, 2006.  Available: http://sciencelinks.jp/j‐east/article/200703/000020070306A1032420.php  

62  

Solution F&R‐ 7.1‐KZ (Autoclave for Sterilization) (a) Assume constant volume: 

 

1 atm100 120  

P 1.2 atm 

(b) Energy Balance into the autoclave: 

Aluminum Can: ∆  

500 cans 0.1 kg 0.91kJ

kg · 120 35 3,867.5 kJ 

  Formula: 

∆  

 

500 cans 0.75 kg 0.3.77kJ

kg 120 35 120,169 kJ 

 Water: 

∆  

 

4.186kJ

kg 12 35 96.27 kJ 

 

Energy Balance out of the autoclave: Aluminum Can: 

∆  

500 cans 0.1 kg 0.91kJ

kg 35 35 0 

 Formula: 

∆  

 

63  

500 cans 0.75 kg 0.3.77kJ

kg 35 35 0 kJ 

 Water: 

∆  

 

4.186kJ

kg 33 35 8.4  

 Overall Energy Balance: Heat in = Heat out 

 

 3,867.5 kJ 120,169 kJ 96.27m kJ 0 0 8.4 kJ 

 

  1,411.6 kg  

 (c) If the can was neglected: 

Formula IN: ∆  

 

500 cans 0.75 kg 0.3.77kJ

kg 120 35 120,169 kJ 

Water IN: ∆  

 

4.186kJ

kg 12 35 96.27 kJ 

Formula OUT: ∆  

 

500 cans 0.75 kg 0.3.77kJ

kg 35 35 0 kJ 

Water OUT: ∆  

 

4.186kJ

kg 33 35 8.4 kJ 

 

64  

Overall Energy Balance: Heat in = Heat out   

120,169 kJ 96.27m kJ 0 8.4 kJ  

1,367.58 kg  

The metal can does not contribute significantly to the calculations, meaning that the metal can be neglected and the formula is the controlling factor. 

 

(d) Energy Balance into the autoclave: 

Plastic Can: ∆  

500 cans 0.1 kg 1.6kJ

kg 120 35 6800.0 kJ 

  Formula: 

∆  

 

500 cans 0.75 kg 0.3.77kJ

kg 120 35 120,169 kJ 

 Water: 

∆  

 

4.186kJ

kg 12 35 96.27 kJ 

 

Energy Balance out of the autoclave: Aluminum Can: 

∆  

500 cans 0.1 kg 1.6kJ

kg 35 35 0 

 Formula: 

65  

∆  

 

500 cans 0.75 kg 0.3.77kJ

kg 35 35 0 kJ 

 Water: 

∆  

 

4.186kJ

kg 33 35 8.4 kJ 

 Overall Energy Balance: Heat in = Heat out 

 

 6800 kJ 120,169 kJ 96.27m kJ 0 0 8.4 kJ 

 

  1,444.96 kg  

  

 

   

66  

  

Chapter 8  

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

67  

F&R‐8.1‐KZ (Snow Removal Reaction)  

During  the  winter  months,  calcium  chloride,  CaCl2,  is  used  for  snow  and  ice  removal  off roadways, pavement and sidewalks, for the safety of pedestrians and drivers.  CaCl2 adsorbs the water  from  the  substance  to be dried  and  causes  a  reaction,  therefore melting  the  ice.  The following reaction is what takes place between water and CaCl2.

CaCl2 + H2O → 2HCl + CaO 

Before  putting  calcium  chloride  pellets  on  the  sidewalk,  an  experiment  was  performed  to ensure that the pellets would melt the ice at temperatures below freezing. In a beaker, 2 grams of CaCl2 were added to 100 g of  ice at ‐10°C. The  ice melted to produce 100 mL of water and the temperature rose to 10°C. 

(a) Calculate the heat released by the reaction.  

(b) Calculate the enthalpy change, ΔH, in kJ/mol of CaCl2.  

(c)  Calcium chloride has been known to be harmful to pets, children or any person that may come across it.2 New snow removal products have been designed that don’t contain calcium chloride.  If salt is not an ingredient in these “animal‐human friendly” products, what makes the snow/ice melt? 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                       1 “Calcium Chloride: Melting Ice in the Winter,”American Chemistry Council, Inc, 2005. [Online]. Available:http://www.americanchemistry.com/s_chlorine/science_sec.asp?CID=1240&DID=4718&CTYPEID=113 2 “Safe Paw Ice Melter,” Only Natural Pet Store, 2010, [Online].  Available: <http://www.onlynaturalpet.com/products/Safe‐Paw‐Ice‐Melter/202000.aspx 

68  

Solution F&R‐8.1‐KZ (Snow Removal Reaction) 

(a) Using the first equation to find the Q related to ‐10°C to 0°C (for ice): 

∆  

0.10 kg2kJ

kg · K10K 2kJ 

Using the second equation to find the Q related to heat of fusion or heat of melting: 

∆  

18.02gmol

0.333kJ g 6.0 kJ 

Using the third equation to find the Q related to 0°C to 1°C: 

∆  

0.10 kg0.0754kJ

mol · Cmol

18.02g1000g

kg 1 0.4184 kJ 

Using the fourth equation to find the Q related to 1°C to 10°C: 

∆  

0.10 kg4.193kJ

kgK 9K 3.774 kJ 

Sum up all of the Q’s for Q total 

2 kJ 6.0 kJ 0.4184 kJ 3.774 kJ 4.645 kJ  

 (b) Calculate the amount of moles of water there is: 

 massMW

2g110.98g/mol 0.018mol 

 Divide the total Q by the amount of moles of water to calculate enthalpy change  

∆4.645 kJ

0.018 mol 258.06 kJ/mol   

69  

 (c) Usually  they  contain  a  dual‐effect  compound,  made  up  of  crystalline  amide  core 

infused with  special glycols. This provides a non‐corrosive composition with  two‐way timed‐release action. The  liquid component starts melting  ice  instantly while breaking its  surface  tension and works up  to  two degrees below  zero. This allows  the crystal‐core to quickly penetrate and destabilize the ice and speed up the melting process. 

 

 

 

 

 

   

70  

F&R‐8.5a‐KW (Instant Cold Packs) Instant cold packs are used for first aid when ice packs are not available.  The cooling is caused by  the  endothermic  dissolution  of  ammonium  nitrate  (NH4NO3)  in water.    The  ammonium nitrate is kept separated from the water in a small pouch until the pouch is broken, forcing the ammonium nitrate and water to mix.  A cold pack containing 200 mL water and 200 g NH4NO3 was activated at room temperature (25˚C).  The cold pack reached a final temperature of ‐2°C.  For NH4NO3 and water, the heat of solution at infinite dilution is ‐25.69 kJ/mol at 25°C1.   

(a) Calculate the heat of solution ∆  for the solution with the composition given in the cold pack.  (Hint:  Use Kopp’s Rule to estimate the heat capacity of NH4NO3.)   

(b) What would be the final temperature of a pack containing 300 mL of water and the same ratio of moles of solvent per mole of solute? 

   

                                                       1 Lide, D. R., CRC Handbook of Chemistry and Physics: A ready‐reference book of chemical and physical data, Edition 85. Boca Raton, FL: CRC Press LLC, 2004. 

71  

Solution F&R‐8.5a‐KW (Instant Cold Packs)  

(a) The goal is to solve for the heat of solution ∆ ,  for the given solution.  First solve for r:  

H O 200 mL H O1 gmL

1 mol18 g 11.11 mol H O 

 

NH NO 200 g NH NO1 mol

80.043 g 2.5 mol NH NO  

 H O

NH NO

11.11 mol H O2.5 mol NH NO 4.4

mol H Omol NH NO  

 The change in enthalpy of the solution can be expressed as:  

∆ ∆ 4.4 ∆ ∞   To calculate ∆ 4.4 , calculate the change in enthalpy of the system.  Using Kopp’s Rule and Table B.10: 

NH NO 2 26 4 9.6 3 17 141.4 J

g ˚C 0.1414 kJ

g ˚C  

 From Table B.2: 

H O 75.4 10 kJ

mol ˚C  The total heat, Q, released by the system is:  

NH NO NH NO ∆ H O H O ∆   

200 g 0.1414 J˚C 2 25

11.11 mol H O 75.4 10 J˚C 2 25  

 763.3 kJ 

 Because it is a closed system 

∆   Calculate the change in enthalpy per mole NH4NO3:  

72  

∆763.3 kJ

2.5 mol NH NO 305.32 kJ

mol NH NO  

 

∆ 4.4 ∆ ∆ ∞ 305.32 J NH NO 25.69 J

NH NO

331 J  

(b) To solve for the final temperature of a solution of 300 mL water and 300 g NH4NO3, start by calculating the number of moles of water and NH4NO3.

H O 300 mL H O1 gmL

1 mol18 g 16.67 mol H O

NH NO 300 g NH NO1 mol

80.043 g 3.75 mol NH NO

The value of r is still 4.4 so:

∆ ∆ 4.4 3.75 mol NH NO 331 J NH NO 1241.25 kJ

Using the same equation from the solution in part (a), plug in known values and solve for the final temperature, Tf:

NH NO NH NO ∆ nH O H O ∆

1241.25 kJ300 g 0.1414 J

˚C 25

16.67 mol H O 75.4 10 J˚C 25

3.4

   

73  

F&R‐8‐PK (Steam Generator with Flue Gas Recycle)  Virtually  all pharmaceutical processes use  superheated  steam  for  various  applications  in  the process  (cleaning,  sterilization,  etc.)  [3].  The  most  common  industrial  method  of  steam generation is using a continuous flow steam boiler [1]. The liquid water is heated to steam using natural  gas  a  fuel  source.  In  an  effort  to  reduce  the  amount  of  fuel  required  for  steam generation,  it  is common practice to use the hot combustion gases to preheat the cool water entering  the boiler  [2]. The heated water entering  the boiler  requires  less energy  to  change phases into steam, therefore reducing the amount of fuel required.  

 

(a) Assuming room temperature water enters the boiler at a flow rate of 100 lbs/min, calculate the fuel requirement for the boiler unit. Natural gas may be assumed to be pure methane and water may be assumed to have a constant heat capacity of 4.2 kJ/kg*K. [4]   

(b) If the hot combustion gases (flue gases) exit the boiler at 700 K and a flow rate of 8 kg/min, what is the maximum energy available in the flue gas stream? Flue gas can be assumed to be pure CO2  (Cp = 1.126 kJ/kg K) 

(c) A heat exchanger is used to transfer the heat energy from the flue gas stream to the house water. Assuming 80% of the flue gas energy is transferred to the water stream, calculate the temperature increase of the water exiting the heat exchanger [2]. 

(d) Using the heated water as feed to the boiler, calculate the new fuel requirement and the yearly reduction in fuel requirement from (a). Assume the flue gas flow rate remains the same. 

(e) Using the total fuel reduction, calculate the reduction in CO2 emissions on a yearly basis.  Assume complete combustion of methane.  

                                                       [1] W. Nazaroff and R. Harley, Air Quality Engineering, CE 218A, Uni versity of California Berkeley, 2007

[2]“Heat exchanger Handbook”, 2004, John Wiley and Sons.

[3] Hsieh, H. P. Liou, J. P. Mahindroo, N. Current Pharmaceutical Design, Volume 11, Number 13, May 2005 , pp. 1655-1677(23) Bentham Science Publishers

[4] “Heat Capacity of Methane Gas”; DIPPR Physical Property Database.

74  

Solution F&R‐8‐PK (Steam Generator with Flue Gas Recycle) 

(a) First, the heat of combustion for methane is required (‐890 kJ/mol) as well as ΔHvap for 

water (970.4 Btu/lb)  

M ∆H M C ∆T M ∆H   Now using a simple energy balance, the fuel requirement can be calculated:   

100 lbsmin x 970.4

Btulb 100

lbsmin x 4.2

kJkg K x 100 23 K x

1 Btu1.054 kJ x

1 kg2.20 lb

M x 890 kJ

mol x 1 Btu

1.054 kJ 

 

M 131.43 molmin x 16.04

gmol x

1 lb453.59 g 4.65

lbsmin  

 (b) The total energy of the stream can be calculated using another energy balance: 

 Q MFGx C x ∆T 

   Using the available heat capacity for carbon dioxide:  

Q 7kg

min x 1.126kJ

kg K x 700 273 K 3365.6kJ

min  

  

(c) The temperature increase can be calculated using the heat capacity of water (assumed to be constant)  

∆TQ

M x C  

  

∆T0.8 x 3365.6 kJ/min

100 lbsmin x 1 kg

2.20 lbs x 4.2kJkg K

14.1 K  

  

(d) The increased feed water temperature will result in   

75  

 M ∆H M C ∆T M ∆H  

 Now using a simple energy balance, the new fuel requirement can be calculated:   

100 lbsmin x 970.4

Btulb

100 lbsmin x 4.2

kJkg K x 100 23 14.1 K x

1 Btu1.054 kJ x

1 kg2.20 lb

M x 890 kJ

mol x 1 Btu

1.054 kJ 

 

M 128.0 molmin x 16.04

gmol x

1 lb453.59 g 4.50

lbsmin  

 

∆M yearly 4.65lbsmin 4.50

lbsmin x 60

minhr x 24

hrsday x 365

daysyr

78,840lbsyr  

 

 (e) The reduction in emissions can be calculated using a stoichiometric conversion:  

 

CH12 O CO H O 

 

∆MCO yearly 78,840lbs CH

yr x 1lbmol

16.04 lbs x 44.01lbs

lbmol CO

216,318.5 lbsyr  

    

76  

 

Chapter 9  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

77  

F&R‐9.3‐KM (Formation of Milk of Magnesia) Milk of magnesia (magnesium hydroxide in aqueous solution) is an old, widely used and commonly seen over the counter (OTC) medication for constipation and pyrosis (heartburn). The standard heat of formation of magnesium hydroxide is1 ‐924.66 kJ/mol and it is commonly produced by reaction of calcium chloride, magnesium chloride with calcined dolomite (CaMgO2) (heat of formation: ‐5562 kcal/mol) in water. Determine the heat of formation and state whether it releases or absorbs heat (using the correct terminology). 

   

                                                       1 CRC Press, CRC Handbook of Chemistry and Physics: A Ready‐Reference Book of Chemical and Physical Data, 90th ed., Lide, D. R., Ed. Boca Raton: CRC Press, 2004 2 CRC Press, CRC Handbook of Chemistry and Physics: A Ready‐Reference Book of Chemical and Physical Data, 90th ed., Lide, D. R., Ed. Boca Raton: CRC Press, 2004 

78  

Solution F&R‐9.3‐KM (Formation of Milk of Magnesia) To determine the heat of formation, we immediately repair to Equation 9.3‐1. 

∆ | | ∆ | | ∆  

To use this, we must determine what the reaction actually looks like since we are not given a chemical reaction. While this can be done by calculation, it is probably best (and certainly less error prone) to just look it up1. 

CaCl MgCl CaMgO 3 H O 2 CaCl 2 Mg OH H O 

It should be immediately obvious that this equation can be simplified. Failure to do so will result in more tedious and annoying calculations and students who do so would be shown the lesson they inadvertently taught themselves. 

MgCl CaMgO 2 H O CaCl 2 Mg OH  

Looking up the heats of formation in Table B.1, we find (after converting kcal to kJ): 

∆ C C 794.96 kJmol 

∆ M C 641.8 kJmol 

∆ C M O 2326 kJmol 

∆ H O 285.84 kJmol 

∆ M OH 924.66 kJmol 

Note that magnesium hydroxide is not present in Table B.1, so was taken from the NIST WebBook2. 

We now use Equation 9.3‐1: 

                                                       1 Martin Marietta Magnesia Specialities. (2009) Magnesium Oxide and Magnesium Hydroxide from Martin Marietta Magnesia Specialties. [Online]. http://www.magnesiaspecialties.com/students.htm 2 Chase, M.W., Jr., "NIST‐JANAF Themochemical Tables, Fourth Edition," Journal of Physical Chemical Reference Data, vol. Monograph 9, pp. 1‐1951, 1998. [Online]. http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C1309428&Units=SI&Mask=2#Thermo‐Condensed 

79  

∆ C C ∆ C C M OH ∆ M OH

C M O ∆ C M O M C ∆ M C H O ∆ H O  

∆ 1 ∆ C C 2 ∆ M OH 1 ∆ C M O 1 ∆ M C 2 ∆ H O  

∆ 1 794.96 2 924.66 1 2326 1 641.8 2 285.84 kJmol 

∆ 2644.3 1112.5 kJmol 

∆ 2644.3 1112.5 kJmol 

∆ 3756.8 kJmol  

As the sign shows this is a “heat giving” or exothermic reaction. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

80  

 

F&R‐9.3‐KM (Production of EDTA) Many metals  have  highly  toxic  effects when  present  in  the  bloodstream.  To  remove  them, chelating  agents  are  supplied  (usually  by  injection)  to  bind  to  the  metal  molecules  and sequester them. Ethylenediaminetetraacetic acid (Universally called EDTA) is a commonly used chelating agent (or also chelator) in medicine, especially in the case of lead poisoning1. 

EDTA is produced in highly pure form by the following2 three liquid phase reactions: 

H NCH CH NH 4 H CO 4 HCN 4 H O 

4 NaOH 4 H O Na 4 NH  

Na 4 HCl 4 NaCl 

Note that sometimes the sodium salt of EDTA is taken as the final product, omitting the third reaction. EDTN is an initial form that is not commonly used except as a precursor. 

(a) Determine the overall standard heat of reaction (Data3: Standard heat of formation of EDTA is ‐1759.5 kJ/mol, ethylene diamine is ‐63.0 kJ/mol). 

(b) If the heat of the first reaction4 is ‐1739 kJ/mol, determine the standard heat of formation of EDTN. 

(c) Using5 ‐582 kJ/mol as the heat of formation of the EDTA salt, determine the standard heats of the last two reactions  

(d) Check them! (Hint: Recall Hess’s Law)   

                                                       1 PubChem. Edetic Acid ‐ PubChem Public Chemical Database. [Online]. http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/summary/summary.cgi?cid=6049 2 Sinex. (2004, Mar) Molecule of the Month. [Online]. http://www.chm.bris.ac.uk/motm/edta/synthesis_of_edta.htm 3 Both values from the DIPPR 801 database 4 Actually, Professor Newland and his SPARTAN software determined the heat of formation of EDTN is about 600 kJ/mol. This is a back calculation based on that. 5 Also SPARTAN from Newland. 

81  

Solution F&R‐9.3‐KM (Production of EDTA) This is a long involved problem on the calculation of heats of reaction and demonstration of enthalpy (of reaction) being a state function. 

(a) To determine the overall heat of reaction, we obtain the overall reaction. That is, the reaction that would take place if the three reactions could be “collapsed” into a single, concerted reaction. To do this, we add all reaction equations together and cancel terms appearing on both sides, which are intermediate forms. 

H NCH CH NH 4 H CO 4 HCN 4 NaOH Na 4 HCl 4 H O4 H O Na 4 NH 4 NaCl 

As can be clearly seen, the EDTA salt complexes, water and EDTN are removable intermediates. 

H NCH CH NH 4 H CO 4 HCN 4 NaOH 4 HCl 4 NH 4 NaCl 

Experience with these calculations, or familiarity with the mathematics behind them, shows that we will need the heats of formation for each compound in the reaction. Resorting to Table B.1 and the problem statement, we obtain the following heats of formation: 

∆ EDA 63.0 kJmol 

∆ H CO 115.90 kJmol 

∆ HCN 130.54 kJmol 

∆ N OH 469.4 kJmol 

∆ HC 92.31 kJmol 

∆ H O 285.84 kJmol 

∆ NH 67.20 kJmol 

∆ EDTA 1759.5 kJmol 

∆ N C 411.0 kJmol 

82  

We now use Equation 9.3‐1 to define the heat of reaction 

∆ | |∆ | |∆  

Expanding this to show all the terms in the overall reaction give us 

∆ NH ∆ NH| EDTA| ∆ EDTA

| N C | ∆ N C

| EDA| ∆ EDA CH O ∆ CH O| HCN| ∆ HCN

| N OH| ∆ N OH| HC | ∆ HC  

We then fill in the values for the stoichiometric coefficients from the reaction equation and heats of formation from our previous work: 

∆ 4 285.84 4 67.20 1 1759.5 4 411.0

1 63.0 4 115.90 4 130.54 4 469.4 4 92.31 kJmol 

∆ 3672.3 2251.28 kJmol 

∆ 1420.02 kJmol  

(b) In this case, we apply Equation 9.3‐1 in reverse. We know the heat of the reaction, and need to determine the heat of formation of a specific compound. 

∆ | |∆ | |∆  

We expand the summations and substitute the values in where they are known: 

∆ | EDTN| ∆ EDTN H O ∆ H O

| EDA| ∆ EDA CH O ∆ CH O| HCN| ∆ HCN  

1739 kJmol 1 ∆ EDTN 4 285.84

1 63.0 4 115.90 4 130.54 kJmol 

83  

1739 kJmol ∆ EDTN 1143 63.0 463.6 522.16 kJ

mol 

1739 kJmol ∆ EDTN 1143 5 kJ

mol 

∆ EDTN 600 kJmol  

(c) These are straightforward calculations (if the previous ones were done correctly). 

Again, we use Equation 9.3‐1: 

∆ | |∆ | |∆  

∆ | N EDTA| ∆ N EDTA NH ∆ NH

| EDTN| ∆ EDTN| N OH| ∆ N OH H O ∆ H O  

Incorporating the given value for the EDTA salt (‐582 kJ/mol) into our previous list of heats of reaction and then substituting: 

∆ 1 582 4 67.20 1 600 4 469.4 4 285.84 kJmol 

∆ 2770.16 kJmol  

The process is the same for the last equation: 

∆ | |∆ | |∆  

∆ | EDTA| ∆ EDTA| N C | ∆ N C

| N EDTA| ∆ N EDTA| HC | ∆ HC  

∆ 1 1759.5 4 411.0 1 582 4 92.31 kJmol 

∆ 2452.26 kJmol  

84  

(d) To check our work, we observe Hess’s Law. That is, the heat of reaction of the overall reaction will be the same regardless of the reaction path chosen to get there, so long as the final products and initial reactants are the same.  

We already have the overall reaction information from part (a), to use Hess’s Law, we simply sum the three individual reactions’ heats: 

∆ 1739 706.04 2452.26 kJmol 

∆ 1421.02 kJmol  

They match, showing that our calculations are internally consistent (not self contradictory) and, unless a very low level error was made, the answers calculated are likely correct. The most likely place for a mistake would be the data values and their research. 

 

   

85  

 

F&R‐9.6d‐KM (Combustion as a Drug Delivery Method)  

One  common  way  to  deliver  pharmaceutically  active  substances  is  by  inhalation  (asthma inhalers are a common example). One common drug, CAS # 54‐11‐5, is frequently administered by the unique method of combusting (burning) the entire medium and unit of delivery. 

(a) Without looking up the CAS #, determine from the description what the drug in question is. Hint: It is not prescribed, but is a controlled substance in most of the world. 

(b) Using the figure on page 471 (Section 9.6d, Flames and Detonations) as a guide, create a similar graph showing the combustion of the cylinder used to administer this drug and its entry  into the body. Illustrate (by words or drawing(s)) the differences between the tube used in that example and the tube used for this drug. 

   

86  

Solution F&R‐9.6d‐KM (Combustion as a Drug Delivery Method)  

This is a deliberately tricky problem designed to annoy students. The CAS # is provided as a last resort so students who don’t figure it out can do the rest of the problem. 

(a)  The drug in question is nicotine. The unit of delivery is obviously a cigar or cigarette. As a highly physiologically active (and addictive!) substance it may be termed a drug. 

(b) The figure on page 471 shows a flame traveling down a tube filled with a flammable gas mixture. This is easily adapted to show a cigar(ette): 

 

  The important differences are as follows: 

1. The example of combustion was self driven (The flame propagated down the tube without assistance after ignition). The cigar(ette) combustion is predominately driven by an external source (human breath). 

2. The delivery vehicle (the cigar(ette) itself) is destroyed by use, while the combustion chamber in the example presumably lives to fight another day. 

The direction of travel in the combustion chamber is one way and continuous; the gases in a cigar(ette) alternately flow in and out as the user breathes (or not if they are just holding it).