16. BALANCES DE MATERIA 1. OBJETIVOS 1.1. Hacer un balance global de materia entre dos corrientes manteniendo constante el flujo de materia 1.2. Analizar las especificaciones de las corrientes balanceadas y su influencia en sus condiciones 1.3. Verificar algunos cálculos de flujos desarrollados por HYSYS 2. INTRODUCCION HYSYS dispone de una operación lógica para hacer cálculos de balance de materia y energía entre corrientes de un proceso químico. La operación Balance de Masa y la operación Balance de moles desarrollan balances globales de materia donde solamente se conserva el flujo másico o molar entre las corrientes Operación Balance de masa o Mass Balance Esta operación desarrolla un balance global donde solamente se conserva el flujo másico. Una aplicación es el modelamiento de reactores con estequiometría desconocida y disponiendo de los análisis de todos los alimentos y productos. Si se especifican las composiciones de todas las corrientes y el flujo para todas excepto una de las corrientes conectadas, la operación Mass Balance determinará el flujo de la corriente desconocida. Esto es una aplicación muy común en unidades de alquilación, hidrotratadores y otros reactores no estequiométricos. 1. Deben especificarse las composiciones para todas las corrientes 2. El flujo debe especificarse para todas las corrientes excepto una de ellas. HYSYS determinará el flujo de dicha corriente mediante un balance de masa 3. La operación Mass Balance determina las masas equivalentes de los componentes que se han definido para las corrientes de entrada y salida de la operación. 4. Esta operación no traslada presión ni temperatura Operación Mole Balance Esta operación desarrolla un balance global de moles sobre unas corrientes seleccionadas sin hacer balance de energía. Puede usarse para establecer balances de materia en secciones del diagrama de flujo o para transferir el flujo y composición de una corriente de proceso en una segunda corriente. 1. La composición no necesita especificarse en todas las corrientes 2. No tiene consecuencias la dirección del flujo de la corriente desconocida. HYSYS calculará el flujo molar del alimento a la operación basado en lo especificado para los productos o viceversa
3. Esta operación no traslada presión ni temperatura 3. CASOS DE ESTUDIO 3.1. BALANCE DE MASA En el siguiente ejemplo todos los componentes de una corriente gaseosa Alimento se convierten a propano puro en la corriente de salida Producto. Seleccione a la ecuación Peng Robinson y los siguientes componentes: metano, etano, propano, i-butano, n- butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-octano. Especifique la corriente Alimento de la siguiente manera: Pestaña Worksheet - Página Conditions Nombre Alimento Fracción de vapor 1.0 Temperatura 60 C Presión 4000 kpa Flujo Molar 100 kgmole/hr Pestaña Worksheet - Página Composition (Fracción Mol) Metano 0.9271 Etano 0.0516 Propano 0.0148 i-butano 0.0026 n-butano 0.0020 i-pentano 0.0010 n-pentano 0.0006 n-hexano 0.0001 n-heptano 0.0001 n-octano 0.0001 Especifique la composición de la corriente Producto como 100 % en Propano. Inserte una operación de balance de masa o Mass Balance. En la pestaña Connections de la ventana de propiedades de la operación Balance, introduzca la corriente Alimento como corriente de entrada o Inlet Stream y como corriente de salida o Outlet Stream la corriente Producto. Observe la ventana de propiedades del botón BAL-1 de la Figura 1. Haga clic en la pestaña Parameters y seleccione la opción Masa o Mass como el tipo de balance o Balance Type. El balance resuelto corresponde a la siguiente ecuación: 96
m& Alim ento = X p,producto * FProducto * PM Propano Siendo & m A lim ento X p Pr oducto el flujo másico de la corriente Alimento, 3856 lb/h, la fracción molar de propano en el producto, uno el flujo molar de producto desconocido F Pr oducto PM Pr opano el peso mol del propano o 44.10 lb/lbmol Figura 1. Conexiones al botón de balance de masa La Figura 2 muestra al botón BAL-1 mediante el cual se calculó el flujo molar de la corriente Producto para el mismo flujo másico de la corriente Alimento En el balance global de masa, el flujo másico de la corriente Alimento es igual, es decir, trasladado a la corriente Producto como se observa en la Figura 3. El flujo molar y el flujo volumétrico de líquido son calculados teniendo en cuenta la composición especificada de la corriente Producto (Fracción mol de propano uno) La corriente Producto se encuentra subespecificada. Por qué? Calcule y compruebe el flujo volumétrico. Agregue algunas condiciones para una especificación completa de la corriente Producto. 97
Figura 2. Balance global de masa entre dos corrientes 3.2 BALANCE DE MOLES En el siguiente ejemplo, el balance en moles se usará para crear una corriente que tiene la misma composición molar y el mismo flujo de otra corriente pero a una diferente presión y temperatura Abra un nuevo caso seleccionando los componentes metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano y elija a la Ecuación de Peng Robinson para el cálculo de las propiedades. Instale una corriente de nombre Gas e introduzca las siguientes especificaciones Pestaña Worksheet - Página Conditions Nombre Gas. Temperatura 10 C Presión 3930 kpa Flujo Molar 30 kgmole/h Pestaña Worksheet - Página Compositions (Fracción Mol) Metano 0.8237 Etano 0.1304 Propano 0.0272 i-butano 0.0101 n-butano 0.0059 i-pentano 0.0016 n-pentano 0.0009 n-hexano 0.0002 Seguidamente, instale una corriente de material de nombre Rocio sin especificar ninguna información para ella en este punto. Ahora instale una operación Balance y en la pestaña Connections anexe las corrientes como se muestra en la Figura 4. 98
Figura 3. Resultados del Balance de masa Figura 4. Conexiones para la Operación balance de moles Haga clic en la pestaña Parameters y seleccione la opción Mole en la sección donde se selecciona el tipo de balance o Balance Type Haga clic en la pestaña Worksheet y observe en la Figura 5, que el Botón BAL-2 ha trasladado los datos correspondientes a los flujos de la corriente Gas a la corriente Rocio y si se despliega la página Composition se observa que también ha trasladado la información sobre las concentraciones. La corriente no muestra 99
información de temperatura, presión o fracción de vapor requerida para completar su especificación. Figura 5. Balance de moles entre las corrientes Gas y Rocio Ahora se puede estimar la temperatura de rocío de la corriente Rocio, a una presión especificada (14.7 psia), introduciendo el valor correspondiente para la fracción de vapor (0.00) como se observa en la Figura 6. Figura 6. Determinación de la temperatura de rocío a 14.7 psia Cambie las especificaciones que se requieran para determinar la temperatura de burbuja de la corriente Rocio a una determinada presión. Por qué no son, siempre iguales a la de la corriente Gas? 100