INTRODUCCIÓN








Balance de Masa

El balance de masa es una expresión de la conservación de la materia, también se lo conoce como balance de materia. La transferencia de masa se produce en mezclas que contienen diferentes concentraciones locales. Por ejemplo, cuando se echa una gota de tinta en un cubo de agua, el proceso de transferencia de materia es el responsable del movimiento de las moléculas de tinta a través del agua hasta alcanzar el equilibrio y conseguir una concentración uniforme. La materia se mueve de un lado a otro bajo la influencia de una diferencia o gradiente de concentración existente en el sistema. Esta expresión establece que la suma de las cantidades o concentraciones de todas las especies que contienen un átomo particular (o grupo de átomos) debe ser igual a la cantidad de ese átomo (o grupo de átomos) introducidos en el sistema. El balance de masa es una expresión que se refiere realmente a la conservación de los átomos, no de la materia propiamente dicha.
Las principales aplicaciones de los balances son:
  • Estudios de operaciones básicas
  • Proyectar plantas industriales
  • Comprobación y funcionamiento de los procesos (existencia de posibles fugas)

TIPOS DE ALIMENTACIÓN EN LOS PROCESOS

Proceso por lotes y ejemplos
Se encarga de la alimentación a un sistema al inicio del proceso, eliminándose posteriormente los productos de una sola vez.Ejemplo: el proceso de formulación de un jugo, donde se agregan los ingredientes como son la pulpa, azúcar ácido cítrico y se mezcla por un tiempo para tener como producto un jugo formulado.

Proceso continuo
Las entradas y salidas fluyen continuamente a lo largo del proceso, es decir, la cantidad de materia por unidad de tiempo es constante tanto en la entrada como en la salida, como en cualquier punto del proceso.Por ejemplo, el proceso de llenado, enfriado y empacado de un jugo.

Definición del régimen permanente y régimen intermitente o transitorio
Si los valores de todas las variables de proceso (temperatura, presión, volumen, flujo másico,etc.) en un punto dado del proceso no sufren modificaciones a lo largo del tiempo, a excepción de pequeñas fluctuaciones alrededor de los valores medios constantes, se dice que el proceso está operando en régimen permanente.Sea algunas de las variables cambia su valor con el tiempo, se dice que existe una operación o proceso a régimen transitorio, ésta se produce en las puestas en marcha y en cambios intencionales de las condiciones del proceso.

Ejemplos de balance de masas:

Fig. Balances de masa en una columna de rectificación.
Fig. Balances de masa en una columna de rectificación.



Objetivos del Balance de Masa




  1. Definir un sistema y establecer las fronteras del mismo para las cuales se hará el balance de materia.
  2. Explicar la diferencia entre un sistema abierto y un sistema cerrado.
  3. Escribir el balance general de materiales en palabras, incluyendo los términos. Ser capaz de aplicar el balance a problemas sencillos.
  4. Citar ejemplos de procesos en los que no hay acumulación, en los que no hay generación ni consumo ni flujo de masa de entrada y salida.
  5. Explicar las circunstancias en que la masa de un compuesto que entra en el sistema es igual a la masa del compuesto que sale del sistema, y lo mismo en el caso de los moles.

Los problemas del balance de materiales consisten de los mismos elementos básicos, aunque la resolución puede darse por métodos que difieren en su aplicación. El balance de materiales puede aplicarse a un proceso, como un balance general de la masa que entra y la masa que sale; o bien, puede aplicarse a las partes intermedias de un procedimiento continuo. En general, para cualquiera de estos sistemas, se requieren datos relativos a la entrada y a la salida de masa. Algunos datos son la masa en todas las corrientes del material que entra y sale del sistema, así como del que se encuentra presente en éste, también se debe tener información respecto a la composición de todas las corrientes que entran y salen del sistema y sobre la composición del material dentro de él

LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA



El balance de materia de una reacción química se basa en la ley de la conservación de la materia o la ecuación de la continuidad, la cual fue enunciada por Antoinne Lavoisssier. "La suma de las masas de las sustancias reaccionantes es igual a la suma de las masas de los productos”. La materia no se crea ni se destruye, sólo puede ser transformada.
Un balance de materia para el componente en el sistema tendrá los siguientes términos:balance de masa.png
Es decir, lo que entra al sistema del componente i, unido a la masa de i que aparece por reacciones químicas en el interior del sistema, debe salir o de lo contrario se está acumulando en su interior.
los terminos de la ecuación anterior tienen dimensiones de masa, como gramos, kilogramos, gramos mol, si el proceso es continuo o permanete.Si es así, el valor de la masa estará variando con la unidad de tiempo, independientemente de cuál sea la unidad.

En los sistemas continuos o permanentes la acumulación es igual a cero.En los sistemas sin reacción química, la producción es igual a cero.Para los sistemas llamados cerrados, las entradas y salida son igual cero.

Esta ecuación general de balance puede escribirse para cualquier sustancia que salga de cualquier proceso, para cualquier especie atómica (balance parcial de para las masas totales de los flujos de entrada y salida (balance total de masa).


Tema 2 balance de materia 1
View more PowerPoint from Roxanamms








CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA










CONCEPTOS BÁSICOS




CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Existen una diversidad de conceptos fundamentales que debemos definir para una mejor comprensión al momento de efectuar un balance de materia de un proceso, primero hay que especificar en qué consiste el sistema para el cual se hará el balance y establecer sus fronteras, y dar un concepto a estos términos:
:

Proceso: es una serie de acciones, operaciones o tratamientos que producen un resultado o producto. La Ingeniería química se centra en operaciones como: reacciones químicas, transporte de fluidos, transporte de calor, destilación y demás cosas que causan cambios físicos y químicos de los materiales.




Proceso de Elaboración de la cerveza
Proceso de Elaboración de la cerveza


Sistema: se refiere a cualquier porción arbitraria o a la totalidad de un proceso establecido específicamente para su análisis.
Fronteras del sistema: se circunscribe formalmente alrededor del proceso a fin de subrayar la importancia de delinear cuidadosamente el sistema para cada uno de los problemas que intente resolver.


external image sistema.png



Los sistemas para el balance de masa pueden clasificarse de acuerdo al intercambio de materia a través de su frontera, y pueden ser:
  • Sistema Abierto: Es aquel en que se transfiere material por la frontera del sistema.
  • Sistema Cerrado: Un sistema cerrado es aquel en el que no tiene lugar una transferencia semejante durante el intervalo de tiempo de interés. Obviamente, si cargamos un reactor con los reactivos y sacamos los productos, y se designa al reactor como el sistema, se transferirá material a través de la frontera del sistema, pero podemos ignorar la transferencia y concentrar nuestra atención exclusivamente en el proceso de reacción que ocurre sólo después de que se ha terminado de cargar los reactivos y antes de retirar los productos.

Clasificación de los procesos



Basándose en la dependencia o no con respecto del tiempo, un proceso puede clasificarse como:

  • Proceso en estado estacionario: aquel cuyo estado (variables que interviene en el mismo) no cambia en el tiempo o sus variaciones son despreciables durante un intervalo de tiempo suficientemente amplio.
  • Proceso en régimen transitorio: aquel cuyo estado varia ene el tiempo, haciendo que los valores de las variables involucradas presenten cambios significativos en su dinámica.

PROCEDIMIENTO PARA RESOLVER UN BALANCE DE MASAS




1. Representar un diagrama de flujo o bloques y rotular con todos los valores de las variables conocidas.
2. Elegir una base de cálculo con cantidad o flujo de las corrientes de proceso.
3. Rotular las variables desconocidas en el diagrama, en particular flujos de masa y molares de componentes de las corrientes.
4. Convertir volúmenes o flujos volumétricos a cantidades másicas o molares, empleando densidades tabulares o leyes de gases.
5. Homogenizar unidades (si el problema mezcla unidades de masa y molares en una corriente).
6. Traducir a ecuación cualquier información que no se haya empleado en el diagrama de flujo.
7. Formular las ecuaciones de balance de masa.
8. Calcular las incógnitas y colocar los valores en el diagrama.
9. Corregir el diagrama si se usó como base de cálculo un diferente del valor de las corrientes del proceso.


Sistema general para el cual se debe hacer un balance de masa.
Sistema general para el cual se debe hacer un balance de masa.



La ecuación expresa con palabras el concepto del balance de masa.

Eq. Balance de masa.jpg

En la ecuación, el término acumulación dentro del sistema se refiere a un cambio de masa o de moles (positivo o negativo) dentro del sistema respecto al tiempo, en tanto que la transferencia a través de las fronteras del sistema se refiere a las entradas y salidas del sistema.



El balance de materia se puede referir a un balance en un sistema para:

  1. La masa total.
  2. Las moles totales.
  3. La masa de un compuesto químico.
  4. La masa de una especie atómica.
  5. Las moles de un compuesto químico.
  6. Las moles de una especie atómica.


Tabla de estrategia.jpg

COMO ESCOGER UNA BASE DE CÁLCULO




Como siempre se puede cambiar la escala de un proceso balanceado, los cálculos de balance de materia pueden efectuarse sobre la base de cualquier conjunto conveniente de cantidades de los flujos o de las velocidades de flujo, y después se puede cambiar de escala el resultado, tanto como se quiera. Al balancear un proceso se escoge una cantidad (masa o moles) o una velocidad de flujo másico o molar de un flujo o de un componente del flujo, como base de cálculo; todas las incógnitas se determinan, entonces, de manera que sean consistentes con esta base.


Si una cantidad de un flujo o una velocidad de flujo es un dato del enunciado, suele ser conveniente usar esta cantidad como base de cálculo. Si no se conocen las cantidades de los flujos o las velocidades de flujo, hay que suponer una; en éste caso, se escoge un flujo con una composición conocida y si ésta última es fracción másica, la base será una masa pero si es fracción molar la base será número de moles.

A continuación se muestra un vídeo acerca de los balances de masa.



RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE BALANCE DE MATERIA EN LOS QUE NO INTERVIENEN REACCIONES QUÍMICAS.




Una alternativa para resolver los problemas encontrados en el balance de masa, incluye el elaborar programas con hojas de cálculo, las cuales proporcionan una forma de almacenar, analizar y organizar los datos numéricos, a través del uso de unas cuantas
funciones básicas, y el manipular los datos de entrada y resultantes, mediante el uso específico de tablas que incluyen la incorporación de las propiedades cuantitativas de las especies involucradas en la transformación, adecuación y contabilidad de materiales.

Al llevar a cabo un balance de materiales es útil y conveniente efectuar varios pasos preliminares, los cuales son flexibles y pueden modificarse de acuerdo con el estilo de análisis que se desarrolle. El conocer y manejar las operaciones o procesos unitarios es básico para llevar a cabo las transformaciones, procesamiento o tratamiento de la materia prima lo cual involucra la contabilidad de materiales y en donde una herramienta indispensable usada es la diagramación de las OU o PU involucrados en un sistema de manufacturas de bienes e inclusive de servicios.

Balance de masa total

En la unidad de tratamiento de desechos de una planta, un espesador elimina agua de los lodos húmedos de aguas residuales como se muestra en la figura. ¿Cuántos kilogramos de agua salen del espesador por cada 100 kg de lodos húmedos que ingresan? El proceso está en estado estacionario.




Picture ejr 1.png



Solución
Base de calculo: 100 Kg de lodos secos

El sistema es el espesador (un sistema abierto). No hay acumulación, generación ni consumo.

El balance de masa total es


Entra = Sale

100 Kg = 70Kg+Kg de agua


Por tanto, salen 30 Kg de agua.


Separación utilizando Membranas


Las membranas representan una tecnología relativamente nueva para separar gases. Una aplicación que ha llamado la atención es la separación de oxígeno y nitrógeno del aire. La figura ilustra una membrana con poros del orden de 10^-9 m que se fabrica aplicando un recubrimiento muy delgado de polímero a una capa de soporte de grafito poroso. ¿Cuál es la composición del flujo de desecho si éste equivale al 80% de la entrada?
Balance de Masa Membranas.png

Éste es un proceso en estado estacionario sin reacción química, así que el término de acumulación y los términos de generación y consumo de la ecuación son iguales a cero. El sistema es la membrana. Sea xO2 la fracción molar del oxígeno y xN, la fracción molar del nitrógeno, y sean nO2 y nN los moles respectivos.

Pasos 1,2,3 y 4: Todos los datos y símbolos se han colocado en la figura.

Paso 5: Escoger una base de cálculo conveniente.

Base = 100 g mol = F

Ahora sabemos que W = 0.80( 100) = 80 mol.

Paso 6: Hay tres incógnitas: P, xO2 y xN2, o bien P, nO2 y nN2.

Paso 7 : Dos balances independientes son los balances de oxígeno y de nitrógeno, ya sea como elementos o como compuestos.

El tercer balance independiente es:

xO2 + xN2 = 1.,

o bien P,

nO2 y nN2 = 80.


Los Balances por componente son:
Tablas de Balance.jpg
La solución de estas ecuaciones es

xO2=0.20,

xN2=0.80

y P = 20 g mol



Un cálculo más simple implica el uso del balance total y el balance de un componente porque:

F=P + W o sea 1OO= P+80

nos da P = 20 directamente.


Paso 10 Verificación. Podemos usar el balance total como verificación de la solución a partir de los balances de los dos componentes.

100 = 20 + 80 correcto





Secado


Un secadero se alimenta con una suspensión acuosa de pulpa de papel, con un 6,7% en peso de sólido seco. El sólido que abandona el secadero contiene el 11% en peso de agua. Si el secadero elimina 75 000 kg/h de agua, ¿cuál será la producción diaria de pulpa de papel con un 11% en peso de agua?

El sistema mencionado puede representarse esquemáticamente mediante el siguiente dispositivo experimental:



Diagrama Secadero.jpg

Hay dos componentes en este sistema, el sólido seco y el agua. El sistema es estacionario y no hay reacciones químicas. En consecuencia, los balances de materia se pueden realizar indistintamente en unidades másicas o molares.

Un balance global (todos los componentes a la vez) de materia en el secadero, en Kg/d, conduce a:


0=w1-w2-w3

0=w1-w2-75000Kg/h*24h/1d

w1-w2=75000+24Kg/d


Por otra parte, un balance de sólido seco en todo el secadero, en Kg/d, conduce a:

0=0,067w1-0,89w2-0

w1=0,89/0,067 w2 = 13,28 w2 Kg/d


Sustituyendo este valor de w1 obtenido en la ecuación anterior en el balance global, puede resolverse el sistema de ecuaciones y se obtiene que: w1 = 1 946 537 Kg/d y w2 = 146 537 Kg/d

En consecuencia, la producción diaria de pulpa de papel solicitada será de w2 = 146 537 Kg/d.

En la siguiente tabla se los caudales másicos totales y de componentes de cada una de las corrientes del sistema:



Destilación continua


Un industrial que fabrica por primera vez alcohol para gasohol ha tenido ciertos problemas con una columna de destilación .La operación se muestra en la figura. Los técnicos creen que se pierde demasiado alcohol en las colas(desperdicio). Calcule la composición de las colas y la masa de alcohol que se pierde en ellas.





ejemplo 2.png




Supondremos que el sistema está en estado estacionario, luego no hay reacción por lo tanto:


Entra = Sale en Kg

Etapas de desarrollo:

  • Pasos 1,2,3,4. Todos los símbolos y datos conocidos se han colocado en la figura. El producto P = 100 Kg (1/10 de la alimentación)
  • Paso 5. Escogemos como base de cálculo la alimentación dada
Base de cálculo: F = 1000 Kg de alimentación

  • Pasos 6,7,8. Las incógnitas son la composición en agua y alcohol de la cola de destilación.Hay dos ecuaciones independientes de balance y dos incógnitas
  • 9. se resuelven las ecuaciones


F = P + B


B = F – P
B = 1000 – 100 = 900 Kg

Picture 3.png



Como verificación puede usar el balance total para calcular B ó el balance del alcohol para calcular su masa



Ejercicios De Aprendizaje

Cristalización

Un tanque contiene 10,000 kg de una disolución saturada de Na,CO, a 30°C. Queremos cristalizar de esta disolución 3000 kg de Na2CO3*10 H2O sin agua en exceso. ¿A qué temperatura es preciso enfriar la disolución?
Rta: 26°C
CRISTALIZACION.png

















































































Ejemplo practico:













Ejemplo. Obtencion de acido acetico a partir de mango de azucar.




























































Ejemplos en Hysys
I
NTRODUCCION

Reacción de conversión

HYSYS permite la simulación de procesos químicos con reacciones de varios tipos. En la reacción de conversión se especifica, además de su estequiometría, el componente base, la fase en que se realiza la reacción y una ecuación polinómica para calcular la conversión en función de la temperatura de la reacción. Si la conversión es independiente de la temperatura se especifica la conversión con solo el término constante del polinomio función de temperatura En un reactor donde se realizan un sistema de N reacciones de conversión en paralelo, los flujos de salida de cada uno de los componentes en el sistema se pueden calcular mediante un balance de materia, asignando una conversión (η) para cada una de las reacciones y considerando sus coeficientes estequiométricos (γ) positivos para los productos y negativos para los reaccionantes escribiendo las reacciones con coeficiente estequiométrico de uno para cada reactivo límite ( l ). Si hay un componente inerte su coeficiente estequiométrico es cero El balance de materia para cada componente se puede escribir, por lo tanto, de la
siguiente manera:

5.png

Siendo p, el símbolo correspondiente a la corriente producto, i, el de la corriente de entrada, k, el que representa a cada uno de los componentes y l(r) el componente límite en la reacción r
La ecuación (11.1) expresa que el flujo en la corriente producto de un componente es igual a su flujo de entrada mas la sumatoria de lo producido en cada reacción menos lo consumido en cada reacción

Operación “Set”

La operación “Set” se utiliza para establecer el valor de una variable de proceso específica mediante una relación lineal con otra variable de proceso. La relación es entre las mismas variables de proceso en dos objetos similares; por ejemplo, la temperatura en dos corrientes o el UA en dos intercambiadores de calor. La operación puede emplearse tanto en simulación estacionario como dinámica La variable dependiente u objetivo se define en términos de la variable independiente o fuente de acuerdo a la siguiente relación lineal


Ejemplo Hysys
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.

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

CASOS DE ESTUDIO

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: 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:



Ecuacion.png
Descripcion.png

HYSYS.png

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”.

diagrama.png

Figura 2. Balance global de masa entre dos corrientes


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.

tabla.png

Figura 3. Resultados del Balance de masa

figura 4.png

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 información de temperatura, presión o fracción de vapor requerida para completar su especificación.

figura 5.png

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.png

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”?

Ejercicio Práctico
Se piensa desalinizar agua de mar por ósmosis inversa usando elproceso mostrado en la figura. Utilizando los datos del diagrama,calcular:a) La velocidad de extracción de salmuera de desperdicio.b) La velocidad de producción de agua desalinizada.c) La fracción de salmuera que sale de la celda de ósmosis paraser recirculada.
Balance de materia con recirculación
A continuación se presenta un documento que indica el tipo de balances de masa que se puede encontrar



Ejemplo 2.

Ejemplo 3

Considere un reformador de gas de sistsis cuyo alimento requiere una relacion fija entrelos componentes metano y agua. La corriente Metano contiene principalmente, matanoy trazas de otros componentes. La corriente Agua contiene agua pura. Las corrientesMetano y Agua se combinan para crear la corrient llamada Alimentacion.

1. Abra un nuevo caso, y defina el siguiente paquete:
•Componentes:C1,CO, CO2, H2O
•Paquete de propiedades: Peng Robinson
2. Crear una corriente de materia con la siguiente informacion:
•Nombre:Metano
•Temperatura 40°C
•Presión 7000 Kpa
•Flujo 10,000 Kgmole/hr
•Composición


2.8.png
3. Crear otra corriente de materia con la siguiente informacion:
•Nombre: Agua
•Temperatura 200°C
•Presión 7000 KPa
•Composición

2.9.png
4. Crear una corriente de materia de salida con la siguiente informacion:
•Nombre:Alimentacion
•Presión 7000 KPa

5. Ahora agregar la Operación “Balance”.Agregar la operación logica “Balance”, y agregar la siguiente informacion en la pestaña Connections, tal como se muestra en la figura

2.13.png

6. Haga click en la pestaña Parameters y en la seccion Type Balance seleccione laopcion “General” como se muestra a continuacion:

2.14.png

7. Haga click en el boton Add Ratio para desplegar la ventana de titulo Ratio-1 ymodifiquela introduciendo los datos que aparecen en la figura.

2.15.png

HYSYS realizara los calculos correspondientes y completara la operacion. Lasespecificaciones resultantes de las corrientes aparecen resumidas en la figura. Observeque las fracciones molares de metano y agua en la corriente Alimentacion son ambosiguales a 0.4884, satisfaciendo asi la especificacion sobre la relacion entre ellos.

2,16.png

El diagrama final de la operacion Balance General realizada entre las corrientesconsideradas se muestran a continuacion.
2,17.png

Ejemplo 3

1 kmol/hr de una corriente que contiene:
•Benceno (40 mol%)
•Toluene (30 mol%)
•O-xylene (30 mol%)Considere una operación adiabática yque no hay caída de presión. Setrabaja a 1 atm.

Para lograr lo anterior se emplea eltanteo o la función ajuste que varíela temperatura de la corriente dealimentación (Adjusted variable)hasta obtener un flujo másico delíquido (Target Value) de 62.9 kg/h.
De la paleta de objetos seleccionar lafunción de ajuste y abrir el visor de laoperación.

x.png

Clic en el botón Select Var…paraseleccionar la temperatura de lacorriente de alimentación (Adjustedvariable).
Seleccionando la VariableAjustable o Variableindependiente
g.png

Luego se selecciona la Variabledependiente con el botón SelectVar..De la variable objetivo odependiente (tarjet Variable)
R.png

Una vez seleccionadas las variables sedebe escoger la fuente de la variabledependiente para lo cual Hysys tiene 3opciones. En Source seleccione una delas opciones
sd.png

User Supplied: se especifica el valorque el usuario quiere fijar la TargetVariable (variable dependiente) eneste caso 62.9 kg/h
fg.png

Luego de intentar varias veces y deajustar los parámetros de laoperación Ajuste se logra laconvergencia
hj.png

Ejemplo

Puede recuperarse acetona de un gas portador, disolviéndola en una corriente de agua pura en una unidad llamada absorbedor. En el diagrama de flujo de la figura, 200 mol/h de una corriente con 20% de acetona se tratan con 1000 mol/h de una corriente de agua pura, lo que produce un gas de descarga libre de acetona y una solución de acetona en agua. Supóngase que el gas portador no se disuelve en agua. Realice la tabla de grados de libertad, exprese las ecuaciones de balance de materia y calcule todas las variables de corrientes desconocidas.
  • as.png
Para resolver el balance anterior comenzaremos creando una simulación con lo siguiente:
o Sistema de unidades: Flujo molar en gmol/h.
o Componentes: acetona (acetone), agua (water) y aire (air). Si bien el problema dice gas, nosotros lo modelaremos como aire. A fines prácticos no hay diferencias.
o Paquete de fluidos: no tiene importancia porque sólo realizaremos un balance de masa. Igualmente proponemos al alumno elegir un paquete acorde a fin de seguir desarrollando criterios de selección.
2) Una vez ingresado al ambiente de simulación, tendremos que crear 4 corrientes con las composiciones mencionadas. En el caso de la corriente Solución verá que no es posible asignarle 0 a la composición de aire y dejar las otras vacías. Por ahora dejar todas vacías, luego nos encargaremos de eso.
3) En la paleta de objetos hacemos click en para agregar la herramienta de balances.

11.png
4) Hacemos doble click en la unidad de balances (BAL-1) y aparecerá la siguiente ventana:

12.png

En la pestaña Connnections podemos cambiar su nombra a Absorbedor y especificamos las corrientes entrantes: Mezcla Gas y Agua y las corrientes salientes: Aire y
Solución.
Pasando a la pestaña Parameters seleccionar el tipo de balance, en este caso, Mole.

13.png

5) Como podrán observar la unidad nos arroja una advertencia de Not Solve. Esto se debe a que tenemos 1 grado de libertad. Ya que no pudimos especificar como 0 la composición del aire en la solución de salida. Este problema lo solucionaremos con otra operación lógica llamada Adjust.

Adjust, permite ajustar una variable de alguna corriente para una variable objetivo tenga un valor determinado. En nuestro caso la variable objetivo será la composición de aire en la solución, cuyo valor es nulo. Elegiremos como variable a modificar el flujo molar de aire que sale.
6) Hacer click en el botón de la paleta de herramientas y colocar la operación en el diagrama.
7) Doble click en ella, y aparecerá la siguiente pantalla:

14.png
8) Primero seleccionaremos la variable a ajustar (Adjusted Variable). Para ello hacer click en Select Var…
En la ventana, seleccionar la corriente Aire, luego la variable a ajustar Molar Flow. Y 15.pngfinalmente OK.
9) Repetimos el procedimiento con la variable objetivo (Target Variable). En este caso será la corriente Solución, la variable Master Comp Mole Fraction y el componente Air.
10) Donde dice Specified Target Value (Valor objetivo especificado) colocar 0.
11) Pasar a la pestaña Parameters y especificar las características de la iteración.
12) Aún así no se resolverá el sistema, tenemos que darle un valor al flujo de aire para que comience la iteración. Cerrar la ventana y abrir la de la corriente Aire, especificar una corriente de 100 gmol/h. Rápidamente se observará como se ajusta al valor de 160 gmol/h. Esto quiere decir que el ajustador está activo y el sistema resuelto.
13) Pueden verse los resultados del flujo de aire y de las composiciones de la solución inspeccionando las corrientes o bien la pestana Worksheet de la operación Balance.
Pero ahora vamos a aprender a colocar tablas de resultados:

R.png
Click con el botón derecho en el fondo del diagrama de procesos e ir al final de la ventana desplegable, a donde dice: Add Workbook Table. Una vez esto nos dará a eligir el tipo de tabla. En este caso seleccionaremos Compositions y
Material Streams.
Ahora podemos visualizar los resultados.

16.png
14) Comparar resultados con los obtenidos cuando cursó Balances y Fenómenos de Transporte.

Ejemplo 3
La temperatura de un reactor de conversión de CO puede moderarse mediante la inyección de un exceso de vapor de agua. Suponga una alimentación de 30% de CO, 20% de H2 y 50% de agua a 280ºC, y que se convierte el 90% del CO. Se mantiene una temperatura de salida del reactor de 400 ºC mediante el agregado de vapor adicional, y la estequiometria de la reacción es:

ec.png
a) Calcule cuánto vapor adicional a 260ºC será necesario (por mol de alimentación) para mantener la temperatura de salida del reactor a 400ºC.
b) Calcule los flujos de salida del reactor.

Para resolver este problema utilizaremos un tipo de reactor llamado Conversion Reactor. Se utiliza cuando se conoce cuanto de los reactivos se transforma en productos. Este tipo de reactor trabaja con reacciones de Conversión. Este tipo de reacciones no requiere ningún tipo de conocimiento termodinámico ni cinético. Se debe especificar la estequiometria y la conversión respecto a un reactivo.

La carga calórica en el intercambiador E-100 cumple la ecuación

ENFRIADORES EN SERIE

Una corriente “Alimento” que contiene hidrocarburos saturados, nitrógeno y dióxido decarbono a 60 °F y 600 psia y de flujo desconocido se quiere enfriar hasta -60 °F mediante dos enfriadores en serie, E-100 y E-101. Las cargas calóricas y las caídas de presión en cada uno de los intercambiadores de calor son 1.2x106 Btu/h y 5 psi en el E-100 y 5x106 Btu/h y 5 psi en el E-101. Se requiere determinar el flujo molar a traves de los enfriadores y la temperatura de la corriente “EntradaE-101”.
La carga calórica en el intercambiador E-100 cumple la ecuación
xy.png
La carga calórica en el intercambiador E-101 cumple con la ecuación
yu.png
El flujo molar a través de los enfriadores es constante y desconocido, y el calor específico se puede asumir que también es constante pero es calculado por HYSYS, mediante la ecuación utilizada en el paquete fluido. Por lo tanto, se tiene un par de ecuaciones con dos incógnitas, a saber, el flujo y la temperatura de la corriente “EntradaE-101”. HYSYS resuelve este tipo de problema con la opción “Mole and Heat Balance”

Abra un nuevo caso, seleccione a los componentes nitrógeno, anhídrido carbónico, metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-octano y a la Ecuación de Peng Robinson como el paquete de propiedades.

CORRIENTE DE ALIMENTACIÓN:
Instale una corriente de nombre “Alimento” con las siguientes especificaciones

re.png

ENFRIADOR E-100:
Instale un enfriador de nombre E-100 e introduzca las siguientes especificaciones en la ventana de propiedades.

cv.png
ENFRIADOR E-101

Instale un enfriador de nombre E-101 e introduzca las siguientes especificaciones en su ventana de propiedades
09.png

CORRIENTE ENFRIADA

En la ventana de propiedades de la corriente “Producto” introduzca el valor de -60 °F para su temperatura en la pestaña “Worksheet” de su página “Conditions”.

Se observa que hay insuficiente información para completar los balances de materia y energía. El balance de calor puede completarse, solamente, si se conoce el flujo a través de las corrientes. Sin embargo, esto puede calcularse mediante un balance de materia y calor a través de todo el diagrama de flujo incluyendo las corrientes “Alimento”, “Producto”, QE-100 y QE-101.

OPERACIÓN MOLE AND HEAT BALANCE

Instale una operación “Balance “y complete las conexiones y parámetros como se muestra en las Figura 1
gt.png
Ejemplo

Planta Deshidratadora/Regeneradora de TEG La industria del gas natural comúnmente utiliza tri-etilen-glicol (TEG) para deshidratación del gas cuando se requieren temperaturas de punto de rocío muy bajas, como en el caso de plataformas offshore del Mar del Norte, o en otros procesos criogénicos. Normalmente se requieren temperaturas de puntos de rocío de agua tan bajos como –40 ºF. HYSYS tiene la capacidad de simular rigurosamente sistemas de TEG. La ecuación de estado de Peng-Robinson ha sido modificada para representar el comportamiento no ideal de las fases líquido-vapor en todo el rango de operación esperado para estos sistemas. El programa ha sido probado para presiones de operación de hasta 2000 psia.

w.png
Fig. 1 Proceso de Deshidratación/Regenerador de TEG

El objetivo del presente práctico es resolver con HYSYS los balances de materia y energía de un proceso de deshidratación y regeneración con TEG (Fig. 1). La composición del gas natural, Gas a Saturar, se proporciona en base libre de agua. Para asegurar la saturación con agua, la corriente Gas a Saturar debe ser mezclada con la corriente Agua. La corriente de gas saturado en agua, Gas + H2O se alimenta a un separador a 85 ºF y 900 psia para eliminar el agua libre. Luego la corriente Gas al Absorbedor se alimenta a la columna absorbedora de TEG. Aquí se pone en contacto una corriente de TEG pobre regenerada (Alimentación TEG), secando el gas a menos de 4 lb de agua por MMSCF (Millones de pies cúbicos en condiciones estándar) de gas (relación contenido masa de

La columna absorbedora de TEG consiste en 20 etapas reales. La corriente de TEG rica que sale por el fondo de la torre absorbedora se descomprime y se precalienta hasta 220 ºF con la corriente Fondo Reg proveniente de la columna Regeneradora TEG. Así la corriente Alimentación Reg ingresa a la etapa de separación del agente deshidratante consistente en 3 etapas teóricas. El TEG regenerado (99% peso) se enfría a 120 F y se retorna a la torre absorbedora, mezclándolo previamente con TEG fresco.
A continuación se tabulan los datos necesarios para definir las corrientes del sistema.

q.png

A.png

Datos de las operaciones unitarias del proceso.
s.png

d.png

v.png

z.png

1.png

Determinación del Punto de Rocío

Uno de los criterios utilizados para determinar la eficiencia de la deshidratación es la determinación del punto de rocío de agua en la corriente de gas de salida. Este se puede determinar fácilmente buscando la temperatura a la cuál el agua comenzará a condensar.
El primer paso es remover todas las trazas de TEG debido a que la presencia del mismo afecta el punto de rocío del agua, para ello se utiliza la operación Component Splitter (Remover TEG). La corriente de salida se enfría y su temperatura es variada por la operación ADJUST de modo de encontrar el punto en el cual el agua comienza a condensarsee. La operación ADJUST requiere un valor inicial para lo cuál especificaremos la temperatura de la corriente PtoRocio Agua en –5 ºF.

Las tablas siguientes indican los parámetros necesarios para establecer las operaciones de Component Splitter, Separator y Adjust. El separador se instalará para remover el agua condensada.
2.png
3.png
La operación ADJUST variará la temperatura de la corriente PtoRocio Agua hasta que el flujo másico de agua en la corriente XS H2O sea casi cero. El valor de temperatura alcanzado será el punto de rocío del agua en la corriente de gas.


BIBLIOGRAFÍA.

  • Cumbal, L. (2011). Biotecnologia Ambiental. Quito
  • Himmelblau, D. (1997). Principios Basicos Cálculos en Ingeniería Química . Mexico: Prentice Hall.
  • Damelio, R. The Basics of Process Mapping. Productivity Press. New York, USA. 1995.
  • Fogler, Scott H. Elementos de ingeniería de las reacciones químicas. Editorial Prentice Hall Pearson, México. 2008.
  • Himmelblau, D. M. Principios básicos y cálculos en ingeniería Química. Editorial Prentice Hall Pearson, México. 2003.
  • Harrison, Michael I. Diagnosing Organizations: Methods, Models and Processes. Editorial Thousand Oaks. Calif. USA. 2005.
  • Monsalvo V.R. Balance de materia y energía: procesos industriales. Editorial Patria. México.2009.
  • MQA Model Revision and Redesign Report. Instituto para el Fomento a la Calidad Total, A.C. Mexico. 2007.