trabajo operaciones unitarias ii

INFORME OPERACIONES UNITARIAS IIASIGNACIÓN: ABSORCIÓN

Andrés Mauricio Mendoza Gonzales 2093640

Aura Alejandra Morales Díaz 2103716

Ivonne Nathalia Arenas C. 2102476

Juan Mateo Herreño García 2103713

Leidy Andrea Vargas Vergara 2093673

Martha Milena Barón León 2103510

María Fernanda Quiroga R. 2103345

Milena Carolina Suárez R. 2104557

Wendy Trujillo Angulo 2102313

Docente: Liliana Castro

Ingeniería química Facultad de Físico-químicas

Universidad Industrial de SantanderBucaramanga

2015

TABLA DE CONTENIDO

1. PAQUETE TERMODINÁMICO......................................................................................................5

1.1 Modelo de actividad.......................................................................................................5

1.2 Ecuación de estado.........................................................................................................7

2. SIMULACIÓN..............................................................................................................................7

3. PRIMER PUNTO..........................................................................................................................9

4. SEGUNDO PUNTO.....................................................................................................................11

5. TERCER PUNTO.........................................................................................................................14

6. CUARTO PUNTO.......................................................................................................................15

7. QUINTO PUNTO........................................................................................................................18

8. SEXTO PUNTO...........................................................................................................................18

9. CONCLUSIONES DEL INFORME Y ANÁLISIS PARA PRESENTAR A SU EMPRESA.........................21

TABLA DE GRAFICAS

Tabla 1. Variación de los números de platos y su efecto sobre la composición del SO2 en la salida del gas................................................................................................................................................7Tabla 2. Composiciones con diez platos.............................................................................................8Tabla 3. Composiciones con quince platos........................................................................................8Tabla 4. Composiciones con veinte platos.........................................................................................8Tabla 5. Variación de la temperatura en la entrada del agua y su efecto sobre la composición del SO2 en la salida del gas......................................................................................................................9Tabla 6.Composiciones en cada una de las corrientes con una temperatura del agua de entrada de 25°C..................................................................................................................................................10Tabla 7.Composiciones en cada una de las corrientes con una temperatura del agua de entrada de 30°C..................................................................................................................................................10Tabla 8.Composiciones en cada una de las corrientes con una temperatura del agua de entrada de 35°C..................................................................................................................................................10Tabla 9.Composiciones en cada una de las corrientes con una temperatura del agua de entrada de 40°C..................................................................................................................................................11Tabla 10. Muestra la variación de las propiedades tales como la temperatura, presión, flujo másico neto del líquido y flujo másico neto del vapor con respecto a la posición de las bandejas..............13Tabla 11.Composiciones con flujo másico de 3000 kg/h..................................................................13Tabla 12. Composiciones con flujo másico de 9000 Kg/h................................................................14Tabla 13. Composiciones con flujo másico de 13000 Kg/h..............................................................14Tabla 14. Composiciones con flujo másico de 17000 Kg/h..............................................................14Tabla 15. Composiciones con un valor de flujo de agua a la entrada de 40020 kg/h.......................16Tabla 16. Composiciones de la corriente de gas de salida...............................................................17Tabla 17. Dimensiones del equipo utilizando como empaque anillos Raschig de 0.25 inch............17Tabla 18. Dimensiones del equipo utilizando como empaque súper intalox de 1 inch....................18Tabla 19. Concentraciones a la salida de la corriente de gas...........................................................18Tabla 20. Dimensiones del equipo utilizando bandejas...................................................................19

INFORME OPERACIONES UNITARIAS II

1. PAQUETE TERMODINÁMICOPara poder realizar la simulación primero hay que establecer qué tipo de modelo termodinámico escoger para la situación presentada. Para la escogencia del paquete termodinámico hay que definir qué valor de temperatura reducida tiene la mezcla

T r=TziT ci

La mezcla ésta constituida por:

CompuestoTemperaturas

criticas (°C)Composiciones

Etano 32,05 0,05Propano 96,68 0,05

SO2 157,6 0,3Agua 373,98 0Aire -140,7 0,6

Temperatura reducida -1,30278307

Debido a que la temperatura reducida de la mezcla es menor a 0,75 se debe utilizar un modelo de solución para la fase líquida y una ecuación de estado para el vapor

1.1 Modelo de actividad

Para poder escoger un modelo de actividad hay que saber que tan no ideal es la mezcla. Según la tabla de Frank (1977) mezcla de componentes polares y no polares son siempre altamente no ideales. En este caso la mezcla posee un componente polar no electrolítico que es el dióxido de azufre mientras que los demás son componentes no polares.

Para la selección del modelo se utilizará un diagrama del tipo árbol de decisión:

Debido a la presencia del dióxido de azufre, que es un compuesto polar no electrolítico, se escogerá como modelo de actividad el NRTL debido a que el sistema trabaja a presiones menores de 10 bar. Ésta escogencia también se realizó debido a que el modelo NRTL maneja un amplio rango de temperaturas, y en ciertas ocasiones llega a ser mejor que el modelo Wilson.

1.2 Ecuación de estado

La ecuación de estado también se escogió de acuerdo al árbol de decisión. En este caso, las sustancias son no polares reales, por lo que la ecuación más conveniente es Peng-Robinson. Éste tipo de ecuación también maneja un amplio rango de temperaturas y presiones y además es utilizado en aplicaciones tales como la separación de aire.

2. SIMULACIÓN

3. PRIMER PUNTOPara la torre de platos, determinar cómo afecta la variación del número de platos la composición de SO2 a la salida del sistema de absorción.

Para determinar cómo afecta la variación del número de platos sobre la composición de SO2 toca realizar múltiples simulaciones con diferentes números de platos, la siguiente tabla mostrará los datos:

Tabla 1. Variación de los números de platos y su efecto sobre la composición del SO2 en la salida del gas

Número de platosComposición

SO2 Fase vapor Fase acuosa10 0,251 0,2513 0,008611 0,2511 0,2514 0,008612 0,2512 0,2515 0,008613 0,2512 0,2515 0,008714 0,2514 0,2517 0,008715 0,2515 0,2518 0,008716 0,2515 0,2518 0,008717 0,2515 0,2518 0,008718 0,2516 0,2519 0,008719 0,2516 0,2519 0,008720 0,2517 0,2519 0,0087

Tabla 2. Composiciones con diez platos

Tabla 3. Composiciones con quince platos

Tabla 4. Composiciones con veinte platos

Ilustración 1. Composición del SO2 a la salida del gas vs. Variación del número de platos

De acuerdo a lo observado en la gráfica 1 se puede concluir que a medida que aumenta la cantidad de platos aumenta la cantidad de dióxido de azufre presente en el gas indicando que el grado de separación es menor

4. SEGUNDO PUNTOGraficar cómo afecta la variación de temperatura del agua en la entrada del sistema la composición del SO2 de salida, desde 40°C hasta la T de operación del reactor. Además deberá mostrar el mejor ajuste matemático para los datos graficados. ¿Qué puede concluir?

Para observar la variación de la composición del SO2 con respecto a la temperatura de entrada del agua se variará la temperatura cada dos grados desde 25°C hasta los 40°C. Los resultados son mostrados en la tabla 5

TemperaturaComposición

SO2 Fase vapor Fase acuosa25 0,2311 0,2313 0,012427 0,2351 0,2353 0,011829 0,2387 0,2389 0,011331 0,2419 0,2421 0,010833 0,2447 0,2449 0,010335 0,2471 0,2473 0,009837 0,2491 0,2494 0,009339 0,2508 0,251 0,008940 0,2514 0,2517 0,0087

Tabla 5. Variación de la temperatura en la entrada del agua y su efecto sobre la composición del SO2 en la salida del gas

Tabla 6.Composiciones en cada una de las corrientes con una temperatura del agua de entrada de 25°C




Ilustración 2. Composición del SO2 a la salida del gas vs. Temperatura de entrada del agua

De acuerdo a la gráfica 2 se concluye que para obtener una mejor separación del SO2 se recomienda una temperatura cercana a los 25 °C ya que como se puede observar en la gráfica a medida que aumenta la temperatura más cantidad de SO2 sale por la corriente de gas siendo menos efectiva la separación. Éste resultado en coherente debido a que la solubilidad de una sustancia con respecto a otra aumenta con bajas temperaturas y altas presiones

Se realizó una línea de tendencia en Excel para encontrar que modelo matemático describe la gráfica 2. Se probó con diferentes modelos donde el que mejor ajuste obtuvo fue el del polinomio de grado 2 cuya ecuación es y=−5∗10−5 x2+0,0046 x+0,148

Ilustración 3. Ajuste con un modelo matemático de la gráfica 2.

Se observa que el modelo se ajusta perfectamente a la gráfica número 2.

Las anteriores gráficas no se realizaron en Hysys debido a que la composición del dióxido de azufre no es una variable modificable por lo que no se pudo crear un “Case studies”

5. TERCER PUNTOGraficar cómo es la variación del flujo másico de SO2 a la salida de cada plato.

Ilustración 4. Variación del flujo másico de SO2 vs. Posición de la bandeja

En la gráfica 4 se observa una variación significativa del flujo másico del SO2 desde la bandeja 1 hasta la bandeja número 2 indicando un aumento de dicha variable. A partir de la bandeja 2 el flujo másico de SO2 se mantiene casi constante con tendencia al aumento. Éste comportamiento se debe a que en la bandeja número 1 se encuentra la salida del gas, donde se libera un alto porcentaje de dióxido de azufre. A medida que se va descendiendo por las bandejas aumenta ligeramente el flujo másico debido a que por la parte del fondo ingresa la corriente del gas que contiene el dióxido de azufre

Tabla 10. Muestra la variación de las propiedades tales como la temperatura, presión, flujo másico neto del líquido y flujo másico neto del vapor con respecto a la posición de las bandejas.

6. CUARTO PUNTOGraficar cómo afecta la variación del flujo del líquido (agua) en la concentración de SO2 a la salida de la corriente gaseosa, y determinar cuál sería el mejor ajuste matemático para describir este comportamiento.

Tabla 11.Composiciones con flujo másico de 3000 kg/h

Tabla 12. Composiciones con flujo másico de 9000 Kg/h



Ilustración 5. Variación de la composición de salida del dióxido de azufre con respecto a la variación del flujo másico del agua a la entrada

De acuerdo a lo observado en la gráfica 5 se puede concluir que entre mayor flujo de agua utilizada mejor es la absorción del dióxido de azufre, esto se ve reflejado en la pendiente negativa de la gráfica que indica una menor cantidad de azufre en la corriente de salida del gas con respecto a un aumento del flujo de agua

Ilustración 6. Tendencia de la gráfica 5

El modelo matemático que mejor encaja con la gráfica número 5 corresponde a un polinomio de grado 6 cuya ecuación es y=7∗10−27 x6−7∗10−22 x5+2∗10−17 x4−4∗10−13 x3+3∗10−9 x2−1∗10−5 x+0,2967

7. QUINTO PUNTODeterminar cuál es el valor de flujo de líquido a emplear para reducir hasta 0.05 la fracción molar del SO2 en la salida de la corriente gaseosa.

Para obtener el valor del flujo de agua se empleará la ecuación de la tendencia obtenida en el punto anterior, donde el valor de y corresponderá a 0,05.

0,05=7∗10−27 x6−7∗10−22 x5+2∗10−17 x4−4∗10−13 x3+3∗10−9 x2−1∗10−5 x+0,2967

Despejando x del polinomio se obtienen seis posibles valores del flujo que son:

Soluciones reales:

x=14722.7

x=69475.7

Y cuatro soluciones complejas

Utilizando el valor de 69475.7 kg/h se obtiene que todo el dióxido de azufre fue arrastrado por el agua, por esta razón hay que disminuir el valor del flujo hasta el valor de 40020 kg/h donde se obtiene una composición del dióxido de azufre en la corriente de salida del gas igual a 0,05

Tabla 15. Composiciones con un valor de flujo de agua a la entrada de 40020 kg/h

8. SEXTO PUNTOEstablecer cuál sería la altura y el diámetro de la torre si cambia de platos a lecho empacado. (Debe seleccionar mínimo 2 tipos de empaques diferentes).

Para realizar el cambio de una torre de platos a una con lecho empacado se debe seleccionar la opción “Column environment”, seguido a esto se debe buscar la opción Equipment Design y escoger Tray Sizing.

El primer empaque a emplear son los anillos Raschig (cerámicos) 0.25 inch (Norton)

Tabla 16. Composiciones de la corriente de gas de salida

Tabla 17. Dimensiones del equipo utilizando como empaque anillos Raschig de 0.25 inch

El segundo empaque empleado es el Super Intalox 1 inch

Tabla 18. Dimensiones del equipo utilizando como empaque súper intalox de 1 inch

Tabla 19. Concentraciones a la salida de la corriente de gas

Tabla 20. Dimensiones del equipo utilizando bandejas

Comparando las tablas 17,18 y 20 se puede observar que las alturas correspondientes son: 8,174 m, 6,452 m y 8,534 m respectivamente. Estos resultados nos indican que al utilizar una torre de lecho empacado la altura se reduce con respecto a la de bandejas propiciando así la adquisición de un equipo de menor costo e igual rendimiento

En cuanto el diámetro, las torres de lechos empacados poseen mayores diámetros con respecto a la torre de bandejas

9. CONCLUSIONES DEL INFORME Y ANÁLISIS PARA PRESENTAR A SU EMPRESA

Las siguientes son las conclusiones obtenidas a lo largo del informe:

A temperaturas cercanas a 25°C se mejora la absorción del dióxido de azufre debido a que las solubilidades aumentan a bajas temperaturas

A mayores flujos de agua a la entrada se mejora la absorción del dióxido de azufre debido a que hay mayor cantidad de agua que arrastre al dióxido de carbono

Es recomendable el uso de torres con lecho empacado debido a sus menores costos

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