6. SEPARACION DE FASES INSTANTANEO

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1 6. SEPARACION DE FASES INSTANTANEO 1. OBJETIVOS 1.1. Determnar el número de grados de lbertad en un separador de fases nstantáneo 1.2. Smular un separador de fases sotérmco adabátco y no adabátco 1.3. Verfcar las ecuacones del modelo matemátco estaconaro de un separador de fases sotérmco 2. INTRODUCCION Un separador de fases nstantáneo smula la evaporacón súbta de una (o varas correntes). El caso típco es el flujo a través de una restrccón cuya caída de presón en forma adabátca provoca una vaporzacón parcal, debdo a lo cual en un tanque posteror puede lograrse la separacón en las fases líqudo y vapor, respectvamente. Observe la Fgura 1 con la válvula como restrccón y el tanque V-100. En el modelamento de un separador de fases se asume que: 1. El líqudo y el vapor tenen el tempo de contacto sufcente para lograr el equlbro 2. La presón de líqudo y vapor son las del tanque separador, es decr, que no hay caída de presón 3. Exste solo una fase líquda y vapor y 4. No exsten reaccones químcas Fgura 1. Separador de fases nstantáneo Las ecuacones de un modelo, en estado estaconaro, para un separador nstantáneo son Balances de matera para cada uno de los C componentes (C ecuacones)

2 Balance de energía Fz Vy + Lx = (6.1) Relacones de equlbro (N ecuacones) Restrccones Fh + Q = Vh + Lh (6.2) F V L y = K x (6.3) T P = P P (6.4) V L = = T T (6.5) V L = El análss de grados de lbertad es el sguente: Varables Cantdad Corrente Vapor C + 2 Corrente Líqudo C + 2 Corrente Calor 1 Total Varables 2C + 5 Ecuacones y Restrccones Cantdad Balances de matera C Relacones de equlbro C Balance de energía 1 Restrccones 2 Total Ecuacones y Restrccones 2C + 3 Total grados de lbertad 2 Una especfcacón común es la que corresponde a una separacón sotérmca. En este caso, se especfcan la presón y la temperatura del separador. Separacón nstantánea sotérmca El cálculo de las correntes de vapor y líqudo para este tpo de separacón suelen realzarse utlzando la ecuacón (6) propuesta por Rachford y Rce (1952) que permte calcular la fraccón de almento vaporzado, V/F, suponendo que las constantes de equlbro son ndependentes de las concentracones y solo dependen de la temperatura y la presón. 42

3 N = 1 ( K 1) z 1+ ( V / F)( K 1) = 0 (6.6) Separacón nstantánea adabátca Una especfcacón muy común es la que corresponde a una separacón nstantánea adabátca (Q = 0). En este caso, fjado Q, solo queda por asgnar una varable, por ejemplo, la presón de operacón del sstema. De esta manera, quedan por calcularse la temperatura y demás propedades de las correntes de salda. Dado que se desconoce la temperatura, el balance de energía queda acoplado y debe resolverse smultáneamente con la ecuacón (6.6). Para ello, la ecuacón (6.2) se expresa como una funcón de temperatura y fraccón vaporzada de la sguente manera: h h g ( T, V / F ) )) V L = 1 ( V / F ) (1 ( V / F (6.7) hf hf Para la solucón smultánea de las ecuacones (6.6) y (6.7) se puede proceder de la sguente manera 1. Se supone una temperatura 2. Se calcula la fraccón de vaporzacón con la ecuacón (6.6) y 3. Se verfcan dchos resultados con la ecuacón (6.7) defnendo un error para la funcón g(t, V/F) 3. SIMULACION DE UN SEPARADOR DE FASES INSTANTANEO 1. Abra un nuevo caso y añada el sguente paquete fludo a. Ecuacón: Peng Robnson b. Componentes: Etano, Propano, n-butano, n-pentano, n-hexano c. Undades: Feld 2. Haga clc sobre el botón Enter Smulaton Envronment para desplegar la ventana PFD de HYSYS 3. Presone con el botón derecho del Mouse el cono de la corrente de matera y en forma sostenda arrastre el Mouse hasta la ventana del PFD 4. Introduzca las sguentes especfcacones 43

4 a. Nombre: F b. Temperatura: 150 F c. Presón: 50 psa d. Composcón (Fraccón molar). Etano Propano n-butano 0.25 v. n-pentano 0.2 v. n-hexano Instale una válvula de Joule-Thompson, asígnele como nombre VLV-100 y conéctela con corrente de entrada F y corrente de salda F1 6. Haga clc en la págna Parameters de su ventana de propedades e ntroduzca una caída de presón de 1 ps en el cuadro Delta P 7. Instale un separador de fases selecconando de la paleta de objetos el cono de nombre Separator, asígnele como nombre V-100 y conéctelo como ndca la Fgura 2. Fgura 2. Correntes de matera y energía conectadas al separador 8. Haga clc en la págna Parameters e ntroduzca una carga calórca de cero en el cuadro de nombre Duty y seleccone el rado botón Heatng, como se observa en la Fgura 3 9. Haga clc en la pestaña Ratng para observar la ventana que permte defnr algunos aspectos geométrcos corto del tanque separador. Observe que en el grupo Geometry se elge la forma del tanque (Clíndrca o Esférca), la 44

5 orentacón (Vertcal u Horzontal) y un dmensonamento de volumen, altura y dámetro 10. Haga clc sobre el botón Quck Sze y observará que HYSYS propone unas meddas para el dámetro y la altura y calcula el correspondente volumen. El usuaro puede modfcar estas dmensones especfcando dos de ellas con las cuales HYSYS calcula la tercera. Observe la relacón altura/ dámetro defnda para el dmensonamento en la Fgura 4 Fgura 3. Carga calórca asgnada al separador Fgura 4. Dmensonamento del tanque separador 45

6 11. Haga clc en la pestaña Worksheet y observe los flujos y las entalpías de las correntes de producto del separador. Verfque el cumplmento de la ecuacón (6.7) 12. Cambe la carga calórca al separador por un valor de 5e+5. Qué cambos con respecto a la operacón adabátca se observan en los resultados de la smulacón?. Verfque dchos resultados con las ecuacones 4. CASOS DE ESTUDIO 1. Borre la temperatura especfcada para la corrente F e ntroduzca un valor de Btu/lbmole en el cuadro Molar Enthalpy. Explque lo realzado y los cambos observados en los resultados de la smulacón? 2. Borre la presón especfcada para la corrente F e ntroduzca un valor de 150 F para la temperatura mantenendo la entalpía molar ntroducda anterormente. Explque lo realzado y los cambos observados en la smulacón? 3. Smule la separacón para una presón de 50 psa y una fraccón de vaporzacón de 0.4. Analce los resultados 4. Smule la separacón para una tempertura de 150 F y una fraccón de vaporzacón de 0.6. Analce los resultados 46