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, nbutano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-octano. Especifique la corriente “Alimento” de la siguiente manera: Pestaña Worksheet - Página Conditions Nombre Fracción de vapor Temperatura Presión Flujo Molar

Alimento 1.0 60°C 4000 kPa 100 kgmole/hr

Pestaña Worksheet - Página Composition (Fracción Mol) Metano Etano Propano i-Butano n-Butano i-Pentano n-Pentano n-Hexano n-Heptano n-Octano

0.9271 0.0516 0.0148 0.0026 0.0020 0.0010 0.0006 0.0001 0.0001 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:

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m& A limento = X p,Pr oducto * FPr oducto * PMPr opano 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

FPr oducto PM Pr opano

el flujo molar de producto desconocido 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”.

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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 Temperatura Presión Flujo Molar

Gas. 10 °C 3930 kPa 30 kgmole/h

Pestaña Worksheet - Página Compositions (Fracción Mol) Metano Etano Propano i-Butano n-Butano i-Pentano n-Pentano n-Hexano

0.8237 0.1304 0.0272 0.0101 0.0059 0.0016 0.0009 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”?

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