Práctica No.16

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.
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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
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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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