19. BALANCE GENERAL 1. OBJETIVOS

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1 19. BALANCE GENERAL 1. OBJETIVOS 1.1. Calcular, mediante HYSYS, los flujos y las composiciones desconocidas en un mezclado entre dos corrientes Verificar los resultados reportados por HYSYS en cálculos de balances de materia entre corrientes mezcladas 1.3. Calcular, mediante HYSYS, los flujos globales entre corrientes en las que se conserva el flujo global de materia 1.4. Verificar los resultados reportados por HYSYS en cálculos globales de balances de materia entre corrientes especificadas en composición y flujos 2. INTRODUCCION Operación Balance La operación Balance es una facilidad de propósito general para desarrollar balances de materia y calor. Solamente requiere los nombres de las corrientes que entran y salen a una operación. Para el Balance General pueden especificarse, también, las relaciones entre los componentes. La operación Balance puede usarse en paralelo con otras unidades para desarrollar balances de materia y energía globales debido a que HYSYS permite que corrientes entren y salgan a más de una operación. La operación Balance resolverá tanto en direcciones hacia delante como hacia atrás Operación Balance General La opción General Balance es capaz de resolver problemas de mayor envergadura. Resolverá un conjunto de n ecuaciones con n incógnitas desarrolladas a partir de las corrientes conectadas a la operación. Esta operación, a causa del método de solución, es considerablemente potente para los tipos de problemas que puede resolver. No solo puede resolver flujos y composiciones desconocidas en las corrientes conectadas, sino también relaciones que pueden establecerse entre los componentes en las corrientes. Cuando la operación determina la solución, la relación preestablecida entre los componentes se mantendrá. 1. La operación General Balance resolverá balances de materia y energía independientemente. Es aceptable una corriente de energía como entrada o salida 2. La operación resolverá flujos y composiciones desconocidos y puede tener relaciones especificadas entre componentes en una de las corrientes 3. Las relaciones pueden especificarse en base molar, másica o volumen de líquido

2 3. CASOS DE ESTUDIO 3.1. REORMADOR DE GAS DE SÍNTESIS Considere un reformador de gas de síntesis cuyo alim requiere una relación fija entre los componentes metano y agua. La corriente Metano contiene, principalmente, metano y trazas de otros componentes. La corriente contiene agua pura. Las corrientes Metano y se combinan para crear la corriente llamada. Abra un nuevo caso, seleccione la ecuación Peng Robinson y los componentes metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono y agua. Las especificaciones de las corrientes mencionadas anteriormente son: Corriente Metano : 40 C, 7000 kpa kgmol/h, 95 % mol de metano, 0.5 % mol de monóxido de carbono, 4 % mol de dióxido de carbono y 0.5 % mol de agua. Corriente : 200 C, 7000 kpa. 100 % agua Corriente : 7000 kpa Operación Balance General: Instale la operación Balance, haga clic en la pestaña Connections e introduzca las especificaciones como aparecen en la igura 1. igura 1. Corrientes conectadas a la operación Balance General Haga clic en la pestaña Parameters y seleccione la opción General. Haga clic en el botón Add Ratio para desplegar la ventana de título Ratio-1 y modifíquela introduciendo los datos que aparecen en la igura 2. HYSYS realizará los cálculos correspondientes y completará la operación. Las 110

3 especificaciones resultantes de las corrientes aparecen resumidas en la igura 3. igura 2. Relación entre el contenido de agua y metano en la corriente igura 3. Resultados de los cálculos de balances generales reportados por HYSYS Observe que las fracciones molares de metano y agua en la corriente son ambos iguales a , satisfaciendo así la especificación sobre la relación entre ellos El diagrama final de la operación Balance General realizada entre las corrientes consideradas se muestra en la igura 4. Ejercicios A continuación se observan las ecuaciones que expresan los balances de materia y energía, además de la restricción entre las concentraciones de metano y agua en la corriente. Haga un análisis de grados de libertad y verifique que el sistema 111

4 se encuentra completamente especificado, lo cual explica el por qué HYSYS desarrolla los cálculos. Compare los resultados obtenido entre sus cálculos y los obtenidos por HYSYS igura 4. Balance General entre las corrientes, Metano y Balances de materia y energía y restricciones Balance de agua: + Me = (19.1) Balance de metano: Me = (19.2) Balance de monóxido de carbono: CO Me = CO (19.3) Balance de dióxido de carbono: 2 = CO CO2 (19.4) Balance de energía: 112

5 h + Me hme = A lim h (19.5) Relación entre agua y metano en la corriente Metano = 1 (19.6) 3.2 COLUMNA DE DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA Una mezcla de benceno y ciclohexano es separada en una columna que utiliza acetona como agente de arrastre. Benceno casi puro es producido en el fondo, mientras que una mezcla azeotrópica de acetona y ciclohexano se produce en el tope de la columna. Se quiere determinar la cantidad necesaria de acetona para separar lo suficientemente la mezcla benceno ciclohexano. El cálculo del flujo de acetona requerido, en base a un alim fijo de benceno y ciclohexano, implica la solución de un conjunto de ecuaciones lineales, lo que significa que puede usarse la opción General Balance. Utilice la ecuación UNIQUAC como modelo de actividad e introduzca las siguientes corrientes Corriente : El flujo másico y las composiciones especificadas de la mezcla son 85 kg/h, 51.8 % en masa de benceno y 48.2 % en masa de ciclohexano. Corriente Acetona : La acetona utilizada es pura y solo se especifica su composición. Corriente Azeótropo : El producto de cabeza de la columna se especifica como una mezcla azeotrópica que contiene % en masa de acetona y % en masa de ciclohexano Corriente Benceno : La corriente de fondo de la columna es benceno puro y se especifica solamente su composición. Operación Balance General La operación General Balance desarrollará balances de componentes individualmente, mientras que las operaciones Mole o Mass Balances solamente 113

6 desarrollan balances de flujo globales y no pueden resolver este problema Instale la operación General Balance con y Acetona como corrientes de entrada o Inlet Streams y Azeótropo y Benceno como corrientes de salida o Outlet Streams. Esta operación no realizará una solución completa pero calcula los flujos másicos de Acetona, Azeótropo y Benceno como se puede observar en el libro de trabajo El flujo másico de acetona requerido es de kg/h. Plantee los balances de materia y verifique los flujos de las corrientes Acetona, Azeótropo y Benceno que aparecen calculados en el libro de trabajo Observe que se si se está usando la opción General Balance de esta forma, se debe borrarla antes de correr la columna El diagrama de las corrientes balanceadas junto con la operación General Balance se muestra en la igura 5. igura 5. Balance general para calcular flujos globales de corrientes Por qué las corrientes no están completamente especificadas?. Qué se puede hacer para especificarlas completamente? Ejercicios 1. Escriba las ecuaciones de balances y restricciones, si las hay, y verifique los flujos y las composiciones de las corrientes obtenidos por HYSYS 2. Agregue algunas especificaciones requeridas para especificar completamente las cuatro corrientes 114