informe de simulacion
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA
SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO HYSYS PARA LA PRODUCCIÓN DE PROPIL-GLICOL EN UN REACTOR
CSTR
CÁTEDRA : ANALISIS Y SIMULACIÓN DE PROCESOS
CATEDRÁTICO : Ing. GUEVARA YANQUI PASCUAL VICTOR
ALUMNOS :
GAGO ALBERTO SINDY MILAGROS
ROMAN CHAMBERGO RIVER
SEMESTRE : IX
Fecha de Presentación: 13/06/2012
HUANCAYO –PERÚ
2012-I
OBJETIVOS GENERAL:
Simular en estado estacionario con Hysys aplicando al caso de una planta de
propilen glicol.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Realizar el balance de materia y energía para la obtención del Propilen glicol a
partir del óxido de propileno y el agua.
Simular el proceso de producción del Propilenglicol en estado estacionario con
HYSYS.
Comparar los resultados obtenidos de los objetivos anteriores.
SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO CON HYSYS APLICANDO AL
CASO DE UNA PLANTA DE PROPILEN GLICOL
1. Descripción del Problema
Propilenglicol (C3H8O2) se obtiene por reacción del Oxido de Propileno (C3H6O) y agua
(H2O). Las condiciones de las corrientes de alimentación al sistema, se indican en la
Tabla 1.
Tabla 1: Condiciones de alimentación
Nombre Óxido de
Propileno
Agua
Temperatura (ºF) 75 75
Presión 1,1 atm 16,16 psi
Flujo molar 150 lbmol/h
Óxido de propileno Fracción molar: 1,0 Flujo másico: 0,0 lb/h
Agua Fracción molar: 0,0 Flujo másico: 11000,0 lb/h
Propilen glicol Fracción molar: 0,0 Flujo másico: 0,0 lb/h
Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer y la corriente
resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que funciona a temperatura
constante y presión atmosférica. La reacción, que se describe en Tabla 2, ocurre en fase
líquida. El reactor tiene un volumen de 280 ft3, se supones caída de presión nula y
mantiene un nivel de líquido de 85 %.
Tabla 2: Reacciones químicas y datos cinéticos
C3H6O( l )+H2O( l )→C3 H8O2(l )
r=1,7 x1013 e(−32 000
RT )CC3 H 6O
Nota: Las velocidades de reacción están dados en lbmol/ft3.h.
Las energías de activación están dados en Btu/lbmol .
Estado estacionario:
A. Resuelva el balance de materia y energía asociado al proceso del proceso y
presente los resultados (condición y composición de todas las corrientes) en
forma de tabla.
2. DIAGRAMA DE FLUJO
Figura 1: Diagrama de flujo del Problema
Figura 2: Diagrama de flujo del Problema con flujo de energia
Donde:
Las corrientes de flujo de materia
A: Alimentación del Óxido de Propileno.
B: Alimentación de Agua.
F: Mezcla de alimentación al reactor.
P: Productos finales a la salida del reactor.
Venteo: Corriente de prevención para los gases que se pudieran formar en la
reacción.
Las corrientes de flujo de energía (color rojo):
Qr: Carga térmica del reactor.
MEZCLADOR
A
B
F
3. Balances de materia y energía
3.1 Mezclador
Figura 2: Mezclador
A. Balance de materia
Entrada−Salida+Generación=Acumulación …[1]
Consideraciones:
Estado estacionario (Acumulación = 0).
No existe reacción química (Generación =0)
Mezcla de fluidos líquidos incompresibles.
Entrada=Salida
A+B=F …[2]
Se utilizará las unidades inglesas como base, y las corrientes están en
lbmol/h.
Cálculo de la corriente A:
De la tabla 1:
A = 150 lbmol/h
Cálculo de lacorriente B:
De la tabla 1:
B=11 000lbh ( 1 lbmol
18 .0152 lb )=610 .5954 lbmol /h
Cálculo de la corriente F:
Reemplazando los valores anteriores en [2]:
F=150+610 .5954=760.5954 lbmol /h
Tabla 3: Resumen del balance de materia en el mezclador
Especie i A ,
lbmol/h
B , lbmol/h F ,
lbmol/h
xi, fracción molar en F
Oxido de Propileno 150 0 150 0,197
Agua 0 610.5954 610.5954 0,803
B. Balance de energía
Qo
−Wo
=ΔEcinética+ΔEpotencial+ΔU+ ΔPρ
+F…[3]
Consideraciones
Estado estacionario (Acumulación = 0).
No existe considerable generación de energía y trabajo de eje (Wo
=0 ).
Mezcla de fluidos líquidos incompresibles.
Las pérdidas de energía por las tuberías y accesorios son despreciables (
F≈0 ).
Las variaciones de energía cinética y potencial, de trabajo de flujo son
despreciables (ΔEcinética≈0 , ΔE potencial≈0).
El calor de mezclado es despreciable por la rapidez que ocurre en el proceso (
Qo
=0 ).
Finalmente:
ΔU=0
El proceso es isotérmico.
Tabla 4: Condiciones físicas de la mezcla a la salida del mezclador
Parámetros Corriente A Corriente B Corriente F
Temperatura, ºF 75 75 75
Presión, psia 16,17 16,16 16,16
Flujo molar, lbmol/h 150 610.5954 760.5954
Fracción molar de 0 0 0
vapor
3.2 Reactor CSTR
Figura 3: Reactor CSTR
Donde:
V: Corriente de Venteo
P: Corriente Producto
A. Balance de materia
Entrada−Salida+Generación=Acumulación …[4]
Consideraciones:
Estado estacionario (Acumulación = 0).
La reacción ocurre en la fase líquida, por lo tanto no existe aumento de
volumen.
La composición de la salida del reactor es la misma que se origina dentro del
equipo por la agitación constante y completa.
La presión de operación es la atmosférica (14,7 psia) y a una temperatura
constante de 140 ºF (isotérmico).
El reactivo limitante es el óxido de propileno por encontrarse en menor
proporción que la cantidad estequiométrica.
Entrada−Salida+Generación=0
F A0−F A+rAV=0
F A0−F A0 (1−X A )+rAV=0
FV
REACTOR CSTR
P
X A=(−rA )VF A0 …[5]
Cálculo de la velocidad de reacción:
De la ley de velocidad:
−rA=kC A …[6]
Donde:
k=1,7 x1013 e(−32 000
RT )h−1
C A=CÓxido de propileno=F A0 (1−X A )ν 0
ν0 : Caudal de a limentación , ft 3 /h
Cálculo del volumen de la mezcla reaccionante:
Viene a ser el 85% del volumen del reactor:
V=0 ,85V reactor=0 ,85 ( 280 ft 3)=238 ft3
Reemplazando estos valores en [5]:
X A=(k FA 0 (1−X A )
ν0) V
F A0
X A=k (1−X A ) Vν0
Despejando la conversión:
X A=kV
ν0+kV …[7]
Cálculo del caudal volumétrico de alimentación:
ν0=νagua+νóxido de propileno
Datos tomados del DATABANK
ρH 2O=0.998g
cm3 ( 1lb453.6g )( 28320cm3
1 pie3 )=62.3089lbpie3
ρC3 H 6O=0.790g
cm3 ( 1lb453.6g )( 28320cm3
1 pie3 )=49.3227lbpie3
Caudal volumétrico inicial de agua:
νagua=610 .5954lbmolh (18 .0152 lb
1lbmol )( 1 ft3
62 .3089 lb )=176 .5397ft3
h
Caudal volumétrico inicial del óxido de propileno:
νóxido de propileno=150lbmolh (58 .080 lb
1lbmol )( 1 ft 3
49.3227 lb )=176 .6326ft3
h
Finalmente:
ν0=176 . 5397+176 .6326=353. 1723ft 3
h
Reemplazandoen (7) todos los valores calculados a una temperatura de 140ºF
(600 R):
Donde:
R=1.9859Btu
lbmol° R
X A=238(1,7 x 1013 e
(−32 0001 .9859 x600 ))
353 .1723+238(1,7 x1013e(−32 000
1.9859 x 600))X A=0 ,9613
Cálculo de los flujos molares de los productos de reacción:
Fóxido de propileno=F A 0−F A0 X A=150−150 (0 ,9613 )=5 . 805lbmolh
Fagua=FB0−F A 0 X A=610 .5954−150 (0 ,9613 )=466 . 4004lbmolh
F propelinglicol=FC 0+F A0 X A=0+150 (0 ,9613 )=144 .195lbmolh
P=5 .805+466 . 4004+144 . 195=616 . 4004lbmolh
Tabla 5: Resumen del balance de materia en el reactor
Especie i F , lbmol/h
xi,fracción molar en
F
P , lbmol/h
xi,fracción molar en P
Oxido de Propileno
150 0,197 5.805 0,01
Agua 610.5954 0,803 466.4004 0,76Propilen glicol 0 0 144.195 0,23
B. Balance de energía
Qo
−Wo
=∑i=1
n
∫T i0
TFi 0CpidT +ΔH Rx (T ) F A0 X A
…[8]
Consideraciones
Estado estacionario (Acumulación = 0).
No existe trabajo de eje (Wo
=0 ).
Los calores específicos son constantes en el intervalo de integración.
El calor de reacción debe evaluarse a la temperatura de operación del reactor,
la temperatura de referencia para las entalpías de formación es de 68 ºF.
Qo
=∑i=1
n
F i 0Cpi (T−T i 0)+ΔH Rx (T ) F A0X A…[9]
Cálculo de las capacidades específicas:
Del texto: Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas, H. ScoutFogler,
tercera edición – página 446:
Cpagua=18BTUlbmol .ºF
Cpóxido de propileno=35BTUlbmol . ºF
Cppropilenglicol=46BTUlbmol . ºF
Cálculo del calor de reacción a la temperatura de operación:
ΔH Rx (140 ºF )=ΔHRxo (68 ºF )+ΔCp (140−68 ) …[10]
Cálculo del calor de reacción la temperatura de referencia (68ºF): Las entalpías de
formación se obtuvieron del texto Elementos de Ingeniería de las reacciones
químicas, H. ScoutFogler, tercera edición – página 447:
ΔH agua , fo =−123 000
BTUlbmol
ΔH óxido de propileno , fo =−66 600
BTUlbmol
ΔH propilenglicol , fo =−226 000
BTUlbmol
ΔH Rxo (68 ºF )=−226 000−(−123 000 )−(−66 600 )=−36 400
BTUlbmol
ΔCp=46−18−35=−7BTUlbmol
Reemplazando en (10):
ΔH Rx (140 ºF )=−36 400+ (−7 ) (140−68 )=−36 904BTUlbmol
Cálculo de la carga térmica del reactor
Reemplazando todos los valores calculados en (9):
Qo
= [150 (35 )+611 ,1 (18 ) ] (140−75 )+ (−36 904 ) (150 ) (0 ,959 )
Q = -7.48 * 107BTU/h
4. Resumen de los resultados obtenidos en los balances
Tabla 3: Resumen del balance de materia en el mezclador
Especie i A
lbmol/h
B
lbmol/h
F
lbmol/h
xi
fracción molar en F
Oxido de Propileno 150 0 150 0,197
Agua 0 610.5954 610.5924 0,803
Tabla 5: Resumen del balance de materia en el reactor
Especie i F
lbmol/h
xi
fracción molar en
F
P
lbmol/h
xi
fracción molar en
P
Oxido de Propileno 150 0,197 5.805 0,01
Agua 610.5954 0,803 466.4004 0,76
Propilen glicol 0 0 144.195 0,23
Tabla 6: Condiciones físicas y composiciones de las corrientes
Parámetros Corriente
A
Corriente B Corriente
F
Corriente P
Temperatura, ºF 75 75 75 140
MEZCLADORREACTOR CSTR
A
FP
V
B
Presión, psia 16.17 16,16 16,16 16,16
Flujo molar, lbmol/h 150 610.5954 760.5954 616.4004
Fracción molar de vapor 0 0 0 0
DIAGRAMA DE BLOQUES PARA PRODUCIR PROPILENGLICOL:
A: Alimentación del Óxido de Propileno.
B: Alimentación de Agua.
F: Mezcla de alimentación al reactor.
V: Venteo, corriente de prevención para los gases que se pudieran formar en la
reacción.
P: Productos finales a la salida del reactor.
COMPOSICIONES DE LAS CORRIENTES
Especie i Corriente
A ,lbmol/h
Corriente
B ,lbmol/h
Corriente F, ,
lbmol/h
Producto P,
lbmol/h
Oxido de Propileno 150 0 150 5.805
Agua 0 610.5954 610.5954 466.4004
Propilen glicol 0 0 0 144.195
Total 150 610.5954 760.5954 616.4004
BIBLIOGRAFIA
CONSTRUCCION DEL PROGRAMA DE LA PRODUCCION DE PROPILEN GLICOL EN HYSYS
http://avibert.blogspot.com/2011/12/propilenglicol-simulacion-en-hysys.html
MANUAL DE HYSYS:
http://www.scribd.com/mmonjard/d/61992545/3-Unidad-de-produccion-de-propilenglicol
INFORMACION DE LA PRODUCCION DE PROPILEN GLICOL
VER PAG 447
http://books.google.com.pe/books?id=tEZ1yPBnxBkC
&
pg=PA444
&
lpg=PA444
&
dq=produccion+de+propilenglicol&source=bl&ots=m92tHR9sEz&sig=YyWM3zL0rouqwERBzPGej8-qmBc&hl=es-419&sa=X&ei=wgxZT4vmKcSRgQf835miCw&ved=0CDEQ6AEwAw#v=onepage&q=produccion%20de%20propilenglicol&f=false
VER PAG 100-199
http://www.scribd.com/doc/52351807/11/Simulacion-en-diseno-y-operacion-de-procesos-Aplicaciones