Análisis computacional de balances de materia con reacción química

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Pablo Córdoba Rivas
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1 Análisis computacional de balances de materia con reacción química Por: Ing. Juan E. Rodríguez C UNEXPO-Barquisimeto Fuente: Page 1

2 Introducción: El potencial de las hojas de cálculo para calcular balances de materia radica en que al escribir las ecuaciones como fórmulas en las celdas, que toman datos de otras celdas (variables de entrada), el resultado se despliega inmediatamente (variable de salida). Al agregar más fórmulas, que usen resultados de fórmulas previas, el conjunto de ecuaciones evoluciona en el modelo de un proceso. Estos modelos tienen las capacidades inherentes de las hojas de cálculo de ser adaptables, flexibles y de fácil uso, capacidades que pueden aprovecharse en estudios de sensibilidad y simulación de los procesos químicos. Page 2

3 Ejemplo: El proceso de fabricación del cloro-etileno, usa como materia prima cloro y etileno, como se muestra en la figura anexa. La corriente fresca de cloro y etileno entran en proporción estequiométrica, se unen con una corriente de recirculación y la mezcla se alimenta a un reactor, en el que se logra la conversión de 50 % del etileno. La reacción es: Cl 2 + CH 2 =CH 2 CH 2 Cl-CH 2 Cl El flujo del reactor pasa a un separador de fases, flash. La recuperación de los componentes a la entrada del flash que se obtienen en el domo son 99 % de cloro, 0.8 % de etileno y 0.2 % de cloro-etileno. El resto de lo que entra al flash se va por el fondo, como una corriente de producto. La corriente del domo del flash, rica en cloro, se recicla al reactor teniéndose una purga previa de 5 % del flujo molar con respecto al flujo de entrada al divisor y de 2,5 % con respecto a la entrada al reactor. Determine cada flujo y composición desconocida. Page 3

4 Leyenda A: Cloro B: Etileno C: Cloro-Etileno Figura 1. Diagrama del proceso de fabricación del cloro etileno. P F1 A: 100mol B: 100mol M Reactor Flash Page 4

5 SOLUCIÓN Page 5

6 i) Dibujar y terminar de etiquetar el proceso Leyenda A: Cloro B: Etileno C: Cloro-Etileno A: Y A,6 =0,99 B: Y B,6 =0,008 C: Y C,6 =0,002 F6 F5 P A: Y A,7 =0,99 B: Y B,7 =0,008 C: Y C,7 =0,002 F7 A: Y A,5 =0,99 B: Y B,5 =0,008 C: Y C,5 =0,002 F1 F2 F3 M Reactor Flash A: Y A,1 =0,500 A: Y A,2 A: Y A,3 B: Y B,1 =0,500 B: Y B,2 B: Y B,3 C: Y C,2 C: Y C,3 A: X A,4 B: X F4 B,4 C: X C,4 Relaciones Suministradas Conversión: 50% del etileno Purga del 5 % del flujo molar de F5 Purga del 2,5% del flujo molar de F2 Page 6

7 ii) Balanceamos la reacción química, si es necesario Cl 2 + C 2 H 4 C 2 H 4 Cl 2 iii) Realizamos el análisis de los grados de libertad Item M Reactor Flash Global Nº de Variables 8 6+1= =9 Nº de F.C Nº de B.I Nº de C.I.C Nº de R.S Nº de Restricciones Nº de G.L Como los grados de libertad, dan 1 en el Mixer y en el Global, entonces debemos especificar una Base de Calculo(B.C)=100 mol en F5, ya que es allí donde tenemos mayor cantidad de información. Page 7

8 iv) Determinamos el reactivo limitante A través del método de proporción relativa PR PR A B Moles A Coef. Esteq Moles B Coef. Esteq Entonces, el R.L es el C 2 H 2 iv) Realizamos por medio de balances de moles * En el Divisor (E-C+F=S) F 5 =F 6 +F 7 F 6 =F 5 F 7 (I) Pero, a través de la relación: El flujo de purga (F 7 ) es el 5 % del flujo molar de F 5 F 7 =0,05*F 5 = 0,05*100mol = 5 mol Así, en (I) F 6 =(100 5)mol = 95 mol * En el Mezclador (E-C+F=S) F 1 + F 6 = F 2 F 1 = F 2 F 6 (II) Pero, a través de la otra relación: El flujo de purga (F 7 ) es el 2,5 % del flujo molar de F 2 F 7 =0,025*F 2 F 2 = (5/0,025) mol = 200 mol Page 8

9 Así, en (II) F 1 =(200 95)mol = 105 mol Ahora balances por componentes en el mezclador *De A (E-C+F=S) F 1 *Y A,1 + F 6 *Y A,6 = F 2 *Y A,2 105mol*0, mol*0,99 = 200*Y A,2 Y A,2 =0,73275 *De B (E-C+F=S) F 1 *Y B,1 + F 6 *Y B,6 = F 2 *Y B,2 105mol*0, mol*0,008 = 200*Y B,2 Y B,2 =0,26630 *De C (E-C+F=S) F 1 *Y C,1 + F 6 *Y C,6 = F 2 *Y C, mol*0,002 = 200*Y C,2 Y C,2 =9, Haciendo balances por componentes en el reactor *De A (E-C+F=S) F 2 *Y A,2 F 2 *Y B,2 *(1 mol A/1mol B)*Conv = F 3 *Y A,3 200mol*0, mol*0,26630*0,50= F 3 *Y A,3 F 3 *Y A,3 = 119,92 mol *De B (E-C+F=S) F 2 *Y B,2 F 2 *Y B,2 *Conv = F 3 *Y B,3 200mol*0, mol*0,26630*0,50= F 3 *Y B,3 F 3 *Y B,3 =26,630 mol *De C (E-C+F=S) F 2 *Y C,2 + F 2 *Y B,2 *(1 mol C/1mol B)*Conv =F 3 *Y C,3 200mol*9, mol*0,26630*0,50= F 3 *Y C,3 F 3 *Y C,3 =26,820 mol Page 9

Ahora balances por componentes en el flash *De A (E-C+F=S) F 3 *Y A,3 = F 4 *Y A,4 + F 5 *Y A,5 119,92mol = F 4 *Y A,4 + 100mol*0,99 F 4 *Y A,4 = 20,920mol *De B (E-C+F=S) F 3 *Y B,3 = F 4 *Y B,4 + F

10 Ahora balances por componentes en el flash *De A (E-C+F=S) F 3 *Y A,3 = F 4 *Y A,4 + F 5 *Y A,5 119,92mol = F 4 *Y A, mol*0,99 F 4 *Y A,4 = 20,920mol *De B (E-C+F=S) F 3 *Y B,3 = F 4 *Y B,4 + F 5 *Y B,5 26,630mol = F 4 *Y B, mol*0,008 F 4 *Y B,4 =25,830mol *De C (E-C+F=S) F 3 *Y C,3 = F 4 *Y C,4 + F 5 *Y C,5 26,820mol = F 4 *Y C, mol*0,002 F 4 *Y C,4 =26,620mol v) Procedemos a montar la hoja de calculo, a través de Microsoft EXCEL Page 10

11 Colocamos el diagrama de bloques Escribimos el cuadro de corrientes y composiciones Page 11

12 Relación 1: El flujo de purga (F 7 ) es el 5 % del flujo molar de F 5 F 7 =0,05*F 5 = 0,05*100mol = 5 mol Page 12

13 Relación 2: El flujo de purga (F 7 ) es el 2,5 % del flujo molar de F 2 F 7 =0,025*F 2 F 2 = (5/0,025) mol = 200 mol Así, F 1 =(200 95)mol = 105 mol Page 13

F 6 *Y B,6 = F 2 *Y B,2 105mol*0,500 + 95mol*0,008 = 200*Y B,2 Y B,2 =0,26630 *De C

14 Ahora balances por componentes en el mezclador *De A (E-C+F=S) F 1 *Y A,1 + F 6 *Y A,6 = F 2 *Y A,2 105mol*0, mol*0,99 = 200*Y A,2 Y A,2 =0,73275 *De B (E-C+F=S) F 1 *Y B,1 + F 6 *Y B,6 = F 2 *Y B,2 105mol*0, mol*0,008 = 200*Y B,2 Y B,2 =0,26630 *De C (E-C+F=S) F 1 *Y C,1 + F 6 *Y C,6 = F 2 *Y C, mol*0,002 = 200*Y C,2 Y C,2 =9, Page 14

= F 3 *Y B,3 200mol*0,26630-200mol*0,26630*0,50= F 3 *Y B,3 F 3 *Y B,3 =26,630 mol *De C (E-C+F=S) F 2 *Y C,2 + F 2 *Y

15 Haciendo balances por componentes en el reactor *De A (E-C+F=S) F 2 *Y A,2 F 2 *Y B,2 *(1 mol A/1mol B)*Conv = F 3 *Y A,3 200mol*0, mol*0,26630*0,50= F 3 *Y A,3 F 3 *Y A,3 = 119,92 mol *De B (E-C+F=S) F 2 *Y B,2 F 2 *Y B,2 *Conv = F 3 *Y B,3 200mol*0, mol*0,26630*0,50= F 3 *Y B,3 F 3 *Y B,3 =26,630 mol *De C (E-C+F=S) F 2 *Y C,2 + F 2 *Y B,2 *(1 mol C/1mol B)*Conv =F 3 *Y C,3 200mol*9, mol*0,26630*0,50= F 3 *Y C,3 F 3 *Y C,3 =26,820 mol Page 15

B,4 + F 5 *Y B,5 26,630mol = F 4 *Y B,4 + 100mol*0,008 F 4 *Y B,4 =25,830mol *De C (E-C+F=S) F 3

16 Ahora balances por componentes en el flash *De A (E-C+F=S) F 3 *Y A,3 = F 4 *Y A,4 + F 5 *Y A,5 119,92mol = F 4 *Y A, mol*0,99 F 4 *Y A,4 = 20,920mol *De B (E-C+F=S) F 3 *Y B,3 = F 4 *Y B,4 + F 5 *Y B,5 26,630mol = F 4 *Y B, mol*0,008 F 4 *Y B,4 =25,830mol *De C (E-C+F=S) F 3 *Y C,3 = F 4 *Y C,4 + F 5 *Y C,5 26,820mol = F 4 *Y C, mol*0,002 F 4 *Y C,4 =26,620mol Page 16

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18 vi) Luego, se procede con el análisis en la hoja de cálculo, variando un SOLO parámetro, en este caso el flujo de alimentación fresca en un ±5 y ±10 % del valor inicial Page 18

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25 vii) De manera similar, se procede con el análisis en la hoja de cálculo, variando un SOLO parámetro, en este caso el valor de la conversión en un ±5 y ±10 % del valor inicial Page 25

26 viii) Reportar los resultados y realizar los respectivos análisis en cada caso Page 26

27 GRACIAS Page 27

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