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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS ALEX ABARCA VINUEZA Añadir nuevo componente

Escoger un componente y añadirlo usando el método de contribución de grupos de UNIFAC. Comparar los valores estimados con los valores reales.

Fig 1. Tolueno introducido por UNIFAC

Fig 2. Tolueno de la base de datos Los datos obtenidos por los 2 métodos son bastantes cercanos, sin embargo la base de datos proporciona información como: calor de fusión y momento dipolar que no presenta la Fig 1. Los valores obtenidos por el método UNIFAC son bastantes cercanos, sin embargo, existen valores que varían y otras que no se crean como densidad del liquido, densidad del sólido, presión de vapor con Antoine. Cálculo de entalpías Modelo Polinómico de entalpía La entalpía polinómica de vapor y el líquido se supone que son de la forma:

donde: H = H de vapor o H de líquido en las unidades seleccionadas por el usuario T = temperatura en las unidades seleccionadas por el usuario a, b, c, d ,e son los coeficientes introducidos por el usuario para cada componente

f(H) tiene las siguientes formas: a.

f (H) = H

b.

f (H) = log10 H

c.

f (H) = ln H

d.

f (H) = Raíz cuadrada (H)

e.

f (H) = raíz cúbica (H)

f.

f (H) = Raíz cuadrada (H/T)

g.

f (H) = raíz cúbica (H/T)

Las ecuaciones se configuran en el cuadro de diálogo de entalpías polinómicas, que aparece después de completar el cuadro de diálogo Configuración termodinámicos.

Modelo de No entalpía Si selecciona la opción No entalpía en la ficha Modelos de entalpía del cuadro de diálogo Configuración termodinámicos, el cálculo de entalpía será ignorada; es decir, la entalpía será de 0 en todas las condiciones. Esta opción es útil si desea realizar sólo un cálculo del balance de masas.

Entalpía de Ecuaciones de Estado La entalpía de una corriente de proceso puede calcularse a partir de una ecuación de estado por la siguiente ecuación:

Los coeficientes (a,.., f) se encuentran guardados en la base de datos. Y la entropía se calcula por la siguiente ecuación:

Destilador flash Resolver un sistema de destilación usando las ecuaciones que usted conoce y compararlo con la respuesta del chemcad. Una mezcla del 50% (en moles) de n-hexano y n-heptano, se somete a destilación súbita con una presión en el separador de una atmósfera, de forma que se vaporicen el 60% de los moles de la alimentación:

Base de cálculo: 100 moles de F. La ecuación de la línea de operación es, según [6]:

(

)

Resolviendo de forma aproximada:

Los datos de equilibrio a una atmosfera para este sistema son los siguientes:

El gráfico muestra (en rojo) la línea de operación que se representa en el gráfico x-y junto con los datos de equilibrio de la tabla anterior (en azul). La intersección corresponde a la solución del problema:

Si el sistema es ideal y sigue la Ley de Raoult (para cada componente). El gas también puede suponerse ideal, por lo que se cumple que: ( ) (Se ha denotado a. n-hexano como A y al n-heptano como B.) Las presiones de vapor pueden calcularse a partir de los parámetros de la ecuación de Antoine: (

)

Para el n-hexano:

ANTOINE

n-hexano

n-heptano

A

14.0568

13.9008

B

2825.42

2932.72

C

-42.7089

-55.6356

En la ecuación, p [kPa] y T [K]. Forman un sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas, que puede resolverse para dar lugar a: x = 0.368 y = 0.587 T = 84.7 ºC

CHEMCAD 6.1.3 Job Name: Untitled Stream No. Stream Name Temp C Pres atm Enth MJ/h Vapor mole fraction Total kmol/h Total kg/h Total std L m3/h Total std V m3/h Flowrates in kg/h N-Hexane N-Heptane

Page 1 Date: 04/27/2014

Time: 11:32:44

1

2

3

50.0000* 1.0000* -20.633 0.00000 0.1000 9.3191 0.0138 2.24

84.5895 1.0000 -9.9670 1.0000 0.0600 5.5203 0.0082 1.34

84.5895 1.0000 -8.0634 0.00000 0.0400 3.7988 0.0056 0.90

4.3089 5.0102

3.0224 2.4979

1.2864 2.5123

Las fracciones molares no suman uno porque corresponden a fases distintas. El dato de equilibrio a 85ºC de la tabla de datos de equilibrio corresponde a valores de x e y muy próximos, por lo que los dos métodos ofrecen resultados coincidentes.

Sistema de tuberías El cálculo de la curva de la conducción puede observarse en las dos tablas que se muestran a continuación.

Parámetros para el cálculo de la curva operativa de la conducción

Cálculo de la curva operativa de la conducción En la Figura pueden observarse los parámetros físicos del fluido, que es agua; y los de la conducción, constituida por una tubería de acero AIISI 304, de 14.7 m de longitud y 2.5″ de diámetro nominal, correspondiente a un diámetro interno (ID) de 2.244 pulgadas, a su vez equivalente a 0.057 m. En la tabla puede observarse el método que se ha seguido para calcular los rozamientos que el flujo produce en la conducción, que se reseña a continuación, utilizando numerales. 1. Para simplificar la construcción de la curva del sistema, es preferible utilizar los mismos valores de flujo que se usaron para construir la curva de la bomba, que son 50, 100, 150, 200, 250, y 300 GPM. 2. Para cada uno de los valores mencionados se calcula: a) La velocidad b) El Número de Reynolds c) El factor de fricción (en este caso el factor de fricción es función del Número de Reynolds), y d) La pérdida hf experimentada por el rozamiento entre el fluido y la conducción, expresada en m de fluido Uso general de la gráfica En la práctica sirve para estimar el punto de operación de una combinación bomba-conducción. Para estimar el punto de operación de una combinación bomba-conducción-válvula de control se debe utilizar un programa de simulación, porque la fracción de apertura de la válvula varía con el tiempo hasta llegar a un estado estacionario, que no se conoce, y que el programa debe determinar. Además, y dependiendo de su fracción de apertura, la válvula introduce pérdidas por rozamiento adicionales a las de la conducción, que se expresan en forma de un “largo

equivalente”, que dependen de su fracción de apertura, y deben sumarse al largo físico de la conducción, tarea que debe realizar el programa en cada iteración.

TODAS LAS SIGUIENTES PREGUNTAS TIENEN RELACION CON EL DESTILADOR FLASH QUE SE DESCRIBE A CONTINUACION Destilador flash 300 kg/hr de una corriente conteniendo n-pentano (30 mol%), i-pentano (25 mol%), y n-octano (45 mol%) ingresa a una unidad flash a 273 K y 2 atm. Responder las siguientes interrogantes usando una simulación en CHEMCAD. 1. Escribir las ecuaciones del modelo El cálculo de una destilación súbita se basa en un modelo simplificado con las siguientes suposiciones: 1. 2. 3. 4.

La mezcla a separar es binaria o asimilable a binaria. El sistema se supone en estado estacionario. El líquido y el vapor se encuentran en equilibrio. No hay pérdidas de calor con los alrededores.

Balance global de materia:

[1]

Balance de materia al componente más volátil:

[2]

Denominado f a la fracción de alimentación que se vaporiza (

), los balances pueden

escribirse de la forma siguiente: [3] (

)

[4]

Combinando [3] y [4]: (

)

[5]

La ecuación [5] es la ecuación de una línea recta que corresponde a la línea de operación de la separación representada en un diagrama x-y. Por otro lado, por la suposición tercera, las composiciones de líquido y vapor se encuentran sobre la línea de equilibrio, por lo que la resolución de un problema de destilación súbita requiere determinar la intersección de la línea de operación con la línea de equilibrio.

2. Cuáles son las temperaturas de burbuja y de rocío de la mezcla si se mantiene la presión constante.

Temp Burbuja= 347,2342 k Temp Rocío= 398,6207 k 3. La unidad flash opera a la temperatura media entre la temperatura de burbuja y rocío. Cuál es la composición y las masas de las corrientes liquido y vapor saliendo de la unidad flash? Qué cantidad de calor se debe suministrar al proceso?.

1 Vapor Total Total Total Total

mole fraction kmol/h kg/h std L m3/h std V m3/h

N-Pentane I-Pentane N-Octane

2

3

0.00000 1.0000 3.2936 1.6769 300.0000 133.0401 0.4480 0.2063 73.82 37.59 Flowrates in kg/h 71.2894 53.6305 59.4078 46.6970 169.3027 32.7125

0.00000 1.6167 166.9599 0.2417 36.24 17.6589 12.7108 136.5902

Calor necesario para el proceso: 111,625 MJ/h.

4. La unidad flash opera a 340 K y se desea obtener una fracción de vapor de 40%. Cuál es la presión a la cual opera la unidad flash y cuál es la composición y la masa de las corrientes liquido y vapor saliendo de la unidad flash? Qué cantidad de calor se debe suministrar al proceso?

Presión de Operación: 0,9572 atm 1 Vapor mole fraction Total kmol/h Total kg/h Total std L m3/h Total std V m3/h Flowrates in kg/h N-Pentane I-Pentane N-Octane

2

3

0.00000 3.2936 300.0000 0.4480 73.82

1.0000 1.3174 100.7255 0.1579 29.53

0.00000 1.9761 199.2745 0.2901 44.29

71.2894 59.4078 169.3027

44.9493 40.3768 15.3994

26.3402 19.0310 153.9033

Calor necesario para el proceso: 79,0199 MJ/h. 5. La unidad flash opera a 2 atm y se desea obtener una fracción de vapor de 30%. Cuál es la temperatura a la cual opera la unidad flash y cuál es la composición y la masa de las corrientes liquido y vapor saliendo de la unidad flash? Qué cantidad de calor se debe suministrar al proceso? Temperatura de operación: 360,6783 K

1 Vapor mole fraction Total kmol/h Total kg/h Total std L m3/h Total std V m3/h Flowrates in kg/h

0.00000 3.2936 300.0000 0.4480 73.82

2 1.0000 0.9881 75.4353 0.1183 22.15

3 0.00000 2.3055 224.5647 0.3297 51.67

N-Pentane I-Pentane N-Octane

71.2894 59.4078 169.3027

33.4764 30.7057 11.2531

37.8130 28.7021 158.0496

Calor necesario para el proceso: 84,7036 MJ/h.

Análisis de sensibilidad Realizar un gráfico de las fracciones en mol de cada uno de los constituyentes en el destilado y otro para el residuo, cuando la temperatura en el destilador varía entre la temperatura de burbuja y de rocío.

Fracción en Moles en el destilado

Fracción en Moles en el Residuo Indicar cuál sería la máxima concentración n-octano que se puede obtener en el residuo y la masa total que se obtendría de esta corriente. La concentración máxima seria de 45% obteniendo 1,42 kgmol/h

Costos Estimar el costo del equipo

SISTEMA DE TUBERIAS Una tubería P de 2” cedula 40 de 15 m transporta agua a 1,5 m/s. El flujo se divide en una tubería Q del mismo diámetro y longitud y un codo de 90, y en otra tubería R que de ½” cédula 40 de 15m y un codo de 90. Determinar la velocidad de circulación en cada ramal si (a) todo el sistema de tuberías esta a la misma altura (b) la descarga de tubería Q está 3 metros sobre la tubería Q y la descarga de la tubería R está 1 metro bajo la tubería Q

a)

B)

c)

http://simprocess.blogspot.com/2012/02/4_7108.html