Práctica No.19

19. BALANCE GENERAL
1. OBJETIVOS
1.1. Calcular, mediante HYSYS, los flujos y las composiciones desconocidas en un
mezclado entre dos corrientes.
1.2. Verificar los resultados reportados por HYSYS en cálculos de balances de materia
entre corrientes mezcladas
1.3. Calcular, mediante HYSYS, los flujos globales entre corrientes en las que se
conserva el flujo global de materia
1.4. Verificar los resultados reportados por HYSYS en cálculos globales de balances de
materia entre corrientes especificadas en composición y flujos
2. INTRODUCCION
Operación Balance
La operación Balance es una facilidad de propósito general para desarrollar balances de
materia y calor. Solamente requiere los nombres de las corrientes que entran y salen a una
operación. Para el Balance General pueden especificarse, también, las relaciones entre los
componentes.
La operación Balance puede usarse en paralelo con otras unidades para desarrollar
balances de materia y energía globales debido a que HYSYS permite que corrientes
entren y salgan a más de una operación. La operación Balance resolverá tanto en
direcciones hacia delante como hacia atrás
Operación Balance General
La opción “General Balance” es capaz de resolver problemas de mayor envergadura.
Resolverá un conjunto de “n” ecuaciones con “n” incógnitas desarrolladas a partir de las
corrientes conectadas a la operación. Esta operación, a causa del método de solución, es
considerablemente potente para los tipos de problemas que puede resolver. No solo puede
resolver flujos y composiciones desconocidas en las corrientes conectadas, sino también
relaciones que pueden establecerse entre los componentes en las corrientes. Cuando la
operación determina la solución, la relación preestablecida entre los componentes se
mantendrá.
1. La operación “General Balance” resolverá balances de materia y energía
independientemente. Es aceptable una corriente de energía como entrada o
salida
2. La operación resolverá flujos y composiciones desconocidos y puede tener
relaciones especificadas entre componentes en una de las corrientes
3. Las relaciones pueden especificarse en base molar, másica o volumen de líquido
3. CASOS DE ESTUDIO
3.1. REFORMADOR DE GAS DE SÍNTESIS
Considere un reformador de gas de síntesis cuyo alimento requiere una relación fija
entre los componentes metano y agua. La corriente “Metano” contiene, principalmente,
metano y trazas de otros componentes. La corriente “Agua” contiene agua pura. Las
corrientes “Metano” y “Agua” se combinan para crear la corriente llamada “Alimento”.
Abra un nuevo caso, seleccione la ecuación Peng Robinson y los componentes metano,
monóxido de carbono, dióxido de carbono y agua. Las especificaciones de las corrientes
mencionadas anteriormente son:
Corriente “Metano”: 40 °C, 7000 kPa. 10000 kgmol/h, 95 % mol de metano, 0.5 %
mol de monóxido de carbono, 4 % mol de dióxido de carbono y 0.5 % mol de agua.
Corriente “Agua”: 200 °C, 7000 kPa. 100 % agua
Corriente “Alimento”: 7000 kPa
Operación Balance General: Instale la operación “Balance”, haga clic en la pestaña
“Connections” e introduzca las especificaciones como aparecen en la Figura 1.
Figura 1. Corrientes conectadas a la operación Balance General
Haga clic en la pestaña “Parameters” y seleccione la opción “General”. Haga clic en el
botón “Add Ratio” para desplegar la ventana de título “Ratio-1” y modifíquela
introduciendo los datos que aparecen en la Figura 2.
HYSYS realizará los cálculos correspondientes y completará la operación. Las
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especificaciones resultantes de las corrientes aparecen resumidas en la Figura 3.
Figura 2. Relación entre el contenido de agua y metano en la corriente “Alimento”
Figura 3. Resultados de los cálculos de balances generales reportados por HYSYS
Observe que las fracciones molares de metano y agua en la corriente “Alimento” son
ambos iguales a 0.4884, satisfaciendo así la especificación sobre la relación entre ellos
El diagrama final de la operación “Balance General” realizada entre las corrientes
consideradas se muestra en la Figura 4.
Ejercicios
A continuación se observan las ecuaciones que expresan los balances de materia y
energía, además de la restricción entre las concentraciones de metano y agua en la
corriente “Alimento”. Haga un análisis de grados de libertad y verifique que el sistema
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se encuentra completamente especificado, lo cual explica el por qué HYSYS desarrolla
los cálculos. Compare los resultados obtenido entre sus cálculos y los obtenidos por
HYSYS
Figura 4. Balance General entre las corrientes “Agua”, “Metano” y “Alimento”
Balances de materia y energía y restricciones
Balance de agua:
Agua
Agua
FAgua + X Me
tan o FMe tan o = X A lim ento FA lim ento
(19.1)
Balance de metano:
Me tan o
Me tan o
X Me
tan o FMe tan o = X Me tan o FA lim ento
(19.2)
Balance de monóxido de carbono:
CO
CO
X Me
F
=
X
tan o Me tan o
A lim ento FA lim ento
(19.3)
Balance de dióxido de carbono:
CO 2
CO 2
X Me
tan o FMe tan o = X A lim ento FA lim ento
(19.4)
Balance de energía:
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FAgua hAgua + FMe tan o hMe tan o = FA lim ento hA lim ento
(19.5)
Relación entre agua y metano en la corriente “Alimento”
X AAgua
lim ento
=1
Me tan o
X A lim ento
(19.6)
3.2 COLUMNA DE DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA
Una mezcla de benceno y ciclohexano es separada en una columna que utiliza
acetona como agente de arrastre. Benceno casi puro es producido en el fondo,
mientras que una mezcla azeotrópica de acetona y ciclohexano se produce en el tope
de la columna.
Se quiere determinar la cantidad necesaria de acetona para separar lo
suficientemente la mezcla benceno – ciclohexano. El cálculo del flujo de acetona
requerido, en base a un alimento fijo de benceno y ciclohexano, implica la solución
de un conjunto de ecuaciones lineales, lo que significa que puede usarse la opción
“General Balance”. Utilice la ecuación UNIQUAC como modelo de actividad e
introduzca las siguientes corrientes
Corriente “Alimento”: El flujo másico y las composiciones especificadas de la
mezcla “Alimento” son 85 kg/h, 51.8 % en masa de benceno y 48.2 % en masa de
ciclohexano.
Corriente “Acetona”: La acetona utilizada es pura y solo se especifica su
composición.
Corriente “Azeótropo”: El producto de cabeza de la columna se especifica como
una mezcla azeotrópica que contiene 68.76 % en masa de acetona y 31.24 % en
masa de ciclohexano
Corriente “Benceno”: La corriente de fondo de la columna es benceno puro y se
especifica solamente su composición.
Operación Balance General
La operación “General Balance” desarrollará balances de componentes
individualmente, mientras que las operaciones “Mole o Mass Balances” solamente
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desarrollan balances de flujo globales y no pueden resolver este problema
Instale la operación General Balance con “Alimento” y “Acetona” como corrientes
de entrada o “Inlet Streams” y “Azeótropo” y “Benceno” como corrientes de salida
o “Outlet Streams”. Esta operación no realizará una solución completa pero calcula
los flujos másicos de “Acetona”, “Azeótropo” y “Benceno” como se puede observar
en el libro de trabajo
El flujo másico de acetona requerido es de 90.18 kg/h. Plantee los balances de
materia y verifique los flujos de las corrientes “Acetona”, “Azeótropo” y
“Benceno” que aparecen calculados en el libro de trabajo
Observe que se si se está usando la opción General Balance de esta forma, se debe
borrarla antes de correr la columna
El diagrama de las corrientes balanceadas junto con la operación “General Balance”
se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Balance general para calcular flujos globales de corrientes
Por qué las corrientes no están completamente especificadas?. ¿Qué se puede hacer
para especificarlas completamente?
Ejercicios
1. Escriba las ecuaciones de balances y restricciones, si las hay, y verifique los
flujos y las composiciones de las corrientes obtenidos por HYSYS
2. Agregue algunas especificaciones requeridas para especificar completamente las
cuatro corrientes
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