Práctica No. 4

4. DIVISORES, MEZCLADORES Y FRACCIONADORES
1. OBJETIVOS
1.1. Determinar las variables de diseño de un divisor, un mezclador y un fraccionador
de corrientes
1.2. Simular el desempeño de un mezclador, un fraccionador y un divisor de corrientes
1.3. Comparar las especificaciones requeridas en la simulaciones de divisores,
mezcladores y fraccionadores con las variables de diseño estimadas en 1.1
2. INTRODUCCION
Divisor de corrientes
Un divisor de corrientes simula el fraccionamiento del flujo de una corriente que fluye a
través de una tubería en varias corrientes. Un diagrama para un divisor de corrientes en
dos corrientes se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Divisor de Corrientes
Siendo z, las composiciones en la corriente de alimento, y X’s las composiciones en las
corrientes de salida, el balance de materia para cada uno de los C componentes es
Fzi = F1 X 1i + F2 X 2i
(4.1)
F, es el flujo de la corriente de entrada y F1 y F2, son los flujos de las corrientes de
salida, i, es el número relativo a cada uno de los C componentes.
El balance de energía es dado por
Fh + Q = F1 h1 + F 2 h 2
(4.2)
Para una corriente de entrada y dos corrientes de salida, el sistema consta de las
siguientes variables y ecuaciones
Variables
Cantidad
Corrientes de entrada y salida
Corriente de energía
Total Variables
Ecuaciones o Restricciones
3(C + 2)
1
3(C + 2) + 1 = 3C + 7
Cantidad
Balances de materia
Balance de energía
Igualdades entre las concentraciones de F y F1
Igualdad de temperaturas
Igualdad de presiones
Total Ecuaciones
C
1
C–1
1
1
2C + 2
Total de variables de diseño
C+5
Al disminuir las C + 2 especificaciones de la corriente de entrada, resulta un faltante de
tres especificaciones. El divisor de HYSYS es considerado adiabático, es decir, Q = 0 y,
además, le asigna la presión de la corriente de entrada. Por lo tanto, requiere de la
especificación de la relación entre los flujos de una corriente de salida con respecto al
flujo de la corriente de entrada. Para “n” corrientes de salida, se requieren “n – 1”
relaciones de flujo
Mezclador de corrientes
Los mezcladores de corrientes representan la operación de suma de corrientes cuyos
fluidos pueden tener distintas composiciones, temperaturas y estados de agregación. Un
diagrama de un mezclador de corriente se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Mezclador de corrientes
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Siendo X, fracción molar, i, el primer número del subíndice relativo al componente y el
segundo número relativo a la corriente, el balance de materia para cada uno de los C
componentes es
F1 X 1i + F2 X 2i = FX i
(4.3)
El balance de energía en el proceso de mezclado simplificado es
F1 h1 + F 2 h 2 + Q = Fh
(4.4)
Siendo h, las entalpías específicas correspondientes a cada una de las corrientes.
El análisis para los grados de libertad es el siguiente:
Variables
Corrientes de entrada y salida
Corriente de energía
Total Variables
Ecuaciones o Restricciónes
Cantidad
3(C + 2)
1
3(C + 2) + 1 = 3C + 7
Cantidad
Balances de materia
Balance de energia
Total Ecuaciones
C
1
C+1
Total de variables de diseño
2C + 6
Al disminuir las 2C + 4 especificaciones de las dos corrientes de entrada, resulta un
faltante de dos especificaciones. El mezclador de HYSYS es considerado adiabático, es
decir, Q = 0 y, por lo tanto, requiere de una especificación adicional para completar los
grados de libertad.
La variable que usualmente se fija en el diseño de un mezclador es la presión de la
corriente de salida. Se sugiere asignar, a la corriente de salida, la menor presión entre
las de las corrientes de entrada
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Fraccionador de corrientes
HYSYS dispone de un fraccionador de corrientes o “Splitter” cuya simulación
representa la separación de una corriente en dos corrientes que requieren de la
especificación de las fracciones de recuperación de cada componente en una de ellas,
ademas de otros cuatro parámetros. Un esquema de este fraccionador se muestra en la
Figura 3.
Figura 3. Fraccionador de corrientes o “Splitter”
Siendo F’s los flujos de las corrientes, “z”, “y” e “x” las fracciones molares de los
componentes en cada una de las corrientes y “Q” el calor requerido
Un balance de materia de componente “i” se expresa mediante la ecuación
Fzi = F1 yi + F2 xi
(4.5)
Para C componentes, i = 1,…,C y, por lo tanto, se plantean C ecuaciones de balance de
materia de componentes
Un balance de energía se expresa mediante la ecuación
Fh F + Q = F1 h1 + F2 h2
(4.6)
El análisis de variables de diseño en un fraccionador de corrientes es el siguiente:
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Variables
Cantidad
Corrientes de salida
Flujo calórico
Total Variables
3(C +2)
1
3C + 7
Ecuaciones
Cantidad
Balances de materia
Balances de energía
Total Ecuaciones
C
1
C+1
Total de variables de diseño
2C + 6
Al disminuir las C + 2 variables de la corriente de entrada, las variables que usualmente
se fijan son “C” fracciones de recuperación de componentes en una corriente (por
ejemplo, F1) y cuatro parámetros adicionales como las presiones o las temperaturas o
las fracciones de vapor, Vf, de las corrientes de salida.
3. SIMULACION DE UN FRACCIONADOR DE CORRIENTES
1. Abra un nuevo caso, y defina el siguiente paquete fluido
a. Ecuación:
b. Componentes:
n-pentano y n-hexano
c. Sistema de unidades:
Peng Robinson
Etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano,
Field
2. Instale una corriente con las siguientes especificaciones:
a.
b.
c.
d.
e.
Nombre:
Uno
Temperatura:
200 °F
Presión:
500 psia
Flujo molar:
1000 lbmol/h
Composición (Fracción Molar)
i. Etano
0.2
ii. Propano
0.6
iii. i-Butano
0.1
iv. n-Butano
0.1
v.
3. Instale otra corriente con las siguientes especificaciones:
a.
b.
c.
d.
e.
Nombre:
Dos
Temperatura:
200 °F
Presión:
500 psia
Flujo molar:
800 lbmol/h
Composición (Fracción Molar)
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i.
ii.
iii.
iv.
n-Butano
i-Pentano
n-Pentano
n-Hexano
0.8
0.1
0.05
0.05
4. Instale un mezclador de corrientes (Mixer) y en la página “Connections” de la
pestaña “Design” de su ventana de propiedades introduzca los siguiente:
a. Nombre:
b. Entradas:
c. Salida:
M-100
Uno, Dos
Alimento
5. Haga clic en la página “Parameters” y observe que HYSYS, por defecto, sugiere
que asigne a la corriente de salida la menor presión entre las de las corrientes de
entrada
6. Instale un “Splitter” con el nombre de “X-100” y conéctelo como muestra la
Figura 4
Figura 4. Conexiones de un “Splitter”
7. Haga clic en la página “Parameters” y especifique las fracciones de vapor y las
presiones en las corrientes de producto como se observan en la Figura 5.
8. Haga clic en la página “Splits” para especificar las fracciones de recuperación
cada uno de los componentes en la corriente “Pro 1”. Observe en la Figura 6 que
HYSYS calcula las fracciones correspondientes a la corriente “Pro 2”
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Figura 5. Especificaciones de presiones y fracciones de vapor en el “Splitter”
Figura 6. Fracciones de recuperación de cada uno de los componentes
9. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y observe las condiciones y las
composiciones de las corrientes productos del fraccionador. Observe las Figuras
7y8
10. Instale un divisor de corrientes (Tee) y en la página “Connections” de la pestaña
“Design” de su ventana de propiedades introduzca los siguiente:
a. Nombre:
b. Entrada:
c. Salida:
D-100
Pro 2
Tres, Cuatro
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Figura 7. Condiciones de las corrientes del “Splitter”
Figura 8. Concentraciones de las corrientes del “Splitter”
11. Haga clic en la página “Parameters” y especifique con un valor de 0.5, la
fracción de la corriente de entrada que saldrá como la corriente “Tres”.
12. Observe las especificaciones de las corrientes en el divisor
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