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U.N.Sa - Facultad de Ingeniería- Ingeniería Química - Operaciones Unitarias II Plan 1999 - 1º Cuatrimestre 2019 Docentes

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U.N.Sa - Facultad de Ingeniería- Ingeniería Química - Operaciones Unitarias II Plan 1999 - 1º Cuatrimestre 2019 Docentes: Ing. Silvia Zamora- Dra. J. Martinez - Dr. J.P. Gutierrez. Inicio de T.P.Nº9: 01/07/20 Entrega T.P.Nº9: 07/07/20 Alumno: Carolina Mariana Zerpa

Trabajo Práctico Nº9 (1°parte) Cálculo de Flash Isotérmico Ejercicio N°2: Se desea realizar una vaporización instantánea de una mezcla, la alimentación es de 100 Kmol/h y contiene 10% mol de metano,20% mol de etano y 70% mol de propano.Las condiciones de operación son: P = 200 psia y T = 50 F. Calcular: a) Temperaturas de burbuja y rocío para el sistema propuesto b) Si es posible realizar una separación flash isotérmico calcular el valor del grado de separación. c) Los valores de las corrientes líquida y vapor y sus respectivas composiciones. d) Dimensione la cámara de separación, tanque de destilación. e) Analice los items anteriores, con las siguientes variaciones en las concentraciones: e1) 0.6 C1, 0.2 C2, 0.2 C3 e2) 0.2 C1, 0.7 C2, 0.1 C3 e3) 0.2 C1, 0.7 C2, 0.1C3 e4) 0.4 C1, 0.4 C2, 0.2C3 e5) 0.25 C1, 0.25 C2,0.5C3 kmol  1000mol F  1000

kmol hr

 0.1  z   0.2     0.7 

P  200psi

T  50 °F Tadim  50

a ) Temperaturas de burbuja y rocío para el sistema propuesto Constante de equilibrio - Considerando sistema ideal T ebullicion R

 5.14135 1742.638 452.974  A   5.383894 2847.92 434.898     5.353418 3371.084 414.488 

Temperaturas criticas R

 201  Te   332.2  R    416   16.043  gm PM   30.07    mol  44.097 

Constante de equilibrio:

 343.9  Tc   550  R    665.9   52.0  3 cm Vm   68    mol  84.0 

i  0 1  2

Ai 1   Ai 0   Psati T A i 2  = e

Pc

Presiones criticas psia

A i 1   Ai 0  Tadim  A i 2  e  Pc

Ke( Tadim P i) 

i

P

 673.1  Pc   709.8  psi    617.4 

Ke( Tadim P i) 

17.998 2.176 0.46 Calculamos el punto de rocio y burbuja para determinar si la destilacion flash puede ocurrir Punto burbuja Tb  100 2

f ( Tb ) 

 Ke(Tb Pi)zi  1 i 0

Tb  root( f ( Tb ) Tb )  41.351 Tburbuja  ( Tb  460 )R  232.583 K Punto rocio Tr  200 2

f ( Tr) 



i 0

z   i  1  Ke( Tr P i) 

Tr  root( f ( Tr) Tr)  83.63 Trocio  ( Tr  460 )R  302.017 K Tburbuja  232.583 K

T  283.15 K

Trocio  302.017 K

b) Si es posible realizar una separación flash isotérmico calcular el valor del grado de separación. La temperatura de la camara resulta ser menor a la de rocio pero mayor a la de burbuja por lo tanto el sistema tiene dos fases Debemos calcular el valor de Ψ 2

f ( Ψ) =



i 0

 zi ( 1  Ke( T P i) )     1  Ψ ( Ke( T P i) )

Ψ  0.02 f ( Ψ ) 

 2  zi ( 1  Ke( Tadim P i) )       1  Ψ ( Ke( Tadim P i)  1)  i  0 



Obtengo el grado de separación resolviendo la expresión de Rachford-Rice.

Ψ  root( f ( Ψ ) Ψ ) Ψ  0.301

c) Los valores de las corrientes líquida y vapor y sus respectivas composiciones. Con el grado de separacion y los balances de materia, calculo V, L, xi e yi. Conociendo F, obtengo V y luego L: V  Ψ F V  83.609

mol

Flujo de vapor que sale por arriba de la camara

s

Con F y V calculamos L L  F  V  194.169

mol s

Calculamos las fracciones molares de cada compuesto en el vapor y del liquido z x  i

i

1  Ψ ( Ke( Tadim P i)  1 )

y  x  Ke( Tadim P i) i

i

 0.016  x   0.148     0.836 

 0.294  y   0.321     0.384 

d) Dimensione la cámara de separación, tanque de destilación. Debemos hallar el valor de la constante del tambor K

Para el líquido:

2

PML 

kg

 xiPMi  0.042 mol

2

VML 

i 0

cm

3

 xiVmi  81.113 mol i 0

Calculamos la densidad: ρL 

Para el vapor:

PML VML

 512.447

  i i

y  PM  0.031

i 0

3

m

2

PMV 

kg

kg mol

2

VMV 

i 0

Calculamos la densidad: ρV 

PMV VMV

 451.223

  i i

y  Vm  69.441

kg 3

m

cm

3

mol

Calculamos Flv: L PML

Flv 

V PMV



ρV

 2.891

ρL

Calculamos la constante del tambor con la siguiente ecuacion

AB ln( Flv) C ( ln( Flv) ) 2 D ( ln( Flv) ) 3 E ( ln( Flv) ) 4 Ktambor = e Las constantes las sacamos del Wankat: A  1.877478097

C  0.1870744085

B  0.8145804597

D  0.0145228667

E  0.0010148518

AB ln( Flv)  C ( ln( Flv) ) 2D ( ln( Flv) ) 3E ( ln( Flv) ) 4 Ktambor  e Ktambor  0.051 Calculamos la velocidad permisible del vapor:

 

u perm   Ktambor

ρL  ρV  ft

u perm  0.019 

ρV

 s

ft s

Se despeja el área transversal:

A 

V PMV u perm ρV

2

 1.01 m

Calculamos el diametro: Dt 

4 A π

 1.134 m

Consideramos que la altura es cuatro veces el diametro: ht  4  Dt  4.535 m Verificación de la altura:

hv  48in hf  18in

La profundidad del liquido es: hl  ht  hv  hf  2.859 m e) Analice los items anteriores, con las siguientes variaciones en las concentraciones: e1) 0.6 C1, 0.2 C2, 0.2 C3

 0.6  z1   0.2     0.2 

Calculamos el punto de rocio y burbuja para determinar si la destilacion flash puede ocurrir Punto burbuja Tb  100 2

 Ke(Tb Pi)z1i  1

f ( Tb ) 

i 0

Tb  root( f ( Tb ) Tb )  155.102 Tburbuja  ( Tb  460 )R  169.388 K Punto rocio Tr  200 2

f ( Tr) 



i 0

z1   i  1  Ke( Tr P i) 

Tr  root( f ( Tr) Tr)  13.487 Trocio  ( Tr  460 )R  263.048 K Tburbuja  169.388 K

T  283.15 K

Trocio  263.048 K

No puede ocurrir la destilación flash debido a que la temperatura del sistema es mayor a la de rocío. e2) 0.2 C1, 0.7 C2, 0.1 C3

 0.2  z2   0.7     0.1  Calculamos el punto de rocio y burbuja para determinar si la destilacion flash puede ocurrir Punto burbuja Tb  100 2

f ( Tb ) 

 Ke(Tb Pi)z2i  1 i 0

Tb  root( f ( Tb ) Tb )  95.707 Tburbuja  ( Tb  460 )R  202.385 K

Punto rocio Tr  200 2

f ( Tr) 



i 0

z2   i  1  Ke( Tr P i) 

Tr  root( f ( Tr) Tr)  9.475 Trocio  ( Tr  460 )R  260.819 K Tburbuja  202.385 K

T  283.15 K

Trocio  260.819 K

No puede ocurrir la destilación flash debido a que la temperatura del sistema es mayor a la de rocío. e4) 0.4 C1, 0.4 C2, 0.2C3

 0.4  z4   0.4     0.2  Calculamos el punto de rocio y burbuja para determinar si la destilacion flash puede ocurrir Punto burbuja Tb  100 2

f ( Tb ) 

 Ke(Tb Pi)z4i  1 i 0

Tb  root( f ( Tb ) Tb )  134.025 Tburbuja  ( Tb  460 )R  181.097 K Punto rocio Tr  200 2

f ( Tr) 



i 0

z4   i  1  Ke( Tr P i) 

Tr  root( f ( Tr) Tr)  20.995 Trocio  ( Tr  460 )R  267.219 K Tburbuja  181.097 K

T  283.15 K

Trocio  267.219 K

No puede ocurrir la destilación flash debido a que la temperatura del sistema es mayor a la de rocío. e5) 0.25 C1, 0.25 C2,0.5C3

 0.25  z5   0.25     0.5  Calculamos el punto de rocio y burbuja para determinar si la destilacion flash puede ocurrir Punto burbuja Tb  100

2

f ( Tb ) 

 Ke(Tb Pi)z5i  1 i 0

Tb  root( f ( Tb ) Tb )  105.13 Tburbuja  ( Tb  460 )R  197.15 K Punto rocio Tr  200 2



f ( Tr) 

i 0

z5   i  1  Ke( Tr P i) 

Tr  root( f ( Tr) Tr)  63.265 Trocio  ( Tr  460 )R  290.703 K Tburbuja  197.15 K

T  283.15 K

Trocio  290.703 K

La destilación flash es posible. Debemos calcular el valor de Ψ Ψ  0.02

 2  z5i ( 1  Ke( Tadim P i) )    f ( Ψ )     1  Ψ ( Ke( Tadim P i)  1)  i  0 



Obtengo el grado de separación resolviendo la expresión de Rachford-Rice.

Ψ  root( f ( Ψ ) Ψ ) Ψ  0.763 c) Los valores de las corrientes líquida y vapor y sus respectivas composiciones. Con el grado de separacion y los balances de materia, calculo V, L, xi e yi. Conociendo F, obtengo V y luego L: V  Ψ F V  211.822

mol s

Con F y V calculamos L

Flujo de vapor que sale por arriba de la camara

L  F  V  65.956

mol s

Calculamos las fracciones molares de cada compuesto en el vapor y del liquido z5 x5  i

i

1  Ψ ( Ke( Tadim P i)  1 )

y5  x5  Ke( Tadim P i) i

i

 0.018  x5   0.132     0.85 

 0.322  y5   0.287     0.391 

d) Dimensione la cámara de separación, tanque de destilación. Debemos hallar el valor de la constante del tambor K

Para el líquido:

2

PML 

 



x5  PM  0.042 i

i

i 0

kg mol

2

VML 

 

i

i 0

3



cm



cm

x5  Vm  81.318 i

mol

Calculamos la densidad: ρL 

Para el vapor:

PML VML

2

PMV 

 

 513.363



i

3

m

y5  PM  0.031 i

i 0

kg

kg mol

2

VMV 

i 0

Calculamos la densidad: ρV 

PMV VMV

 449.114

kg 3

m

Calculamos Flv: Flv 

L PML V PMV



ρV ρL

 0.392

Calculamos la constante del tambor con la siguiente ecuacion

AB ln( Flv) C ( ln( Flv) ) 2 D ( ln( Flv) ) 3 E ( ln( Flv) ) 4 Ktambor = e Las constantes las sacamos del Wankat: A  1.877478097

C  0.1870744085

B  0.8145804597

D  0.0145228667

 

E  0.0010148518

y5  Vm  69.099 i

i

3

mol

AB ln( Flv)  C ( ln( Flv) ) 2D ( ln( Flv) ) 3E ( ln( Flv) ) 4 Ktambor  e Ktambor  0.282 Calculamos la velocidad permisible del vapor:

 

u perm   Ktambor

ρL  ρV  ft

u perm  0.107 

ρV ft s

Se despeja el área transversal: A 

V PMV u perm ρV

2

 0.451 m

Calculamos el diametro: Dt 

4 A π

 0.758 m

Consideramos que la altura es cuatro veces el diametro: ht  4  Dt  3.031 m Verificación de la altura:

hv  48in hf  18in

La profundidad del liquido es: hl  ht  hv  hf  1.354 m

 s