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Integración III Trabajo Práctico nº 5: Práctica con simulador

Mediante el simulador dwsim correr los siguientes ejemplos y comprar con los resultados obtenidos “manualmente”

Problema 1: calentadores/ enfriadores Una corriente 100 [kmol/hr] de CO2 y CO con una composición volumétrica de 75 % y 25 % rescpectivamente, a 1 atm de presión y 40 ºC, se calienta con una corriente de calor de 105 [kcal/hr]. Calcular la temperatura a la que sale.

E)TE = 40 [ºC]PE = 1 [atm]FE = 100 [kmol/hr]xE, CO2 = 0,75xE, CO =0,25

S)TS =¿? [ºC]PS = 1 [atm]FS = 100 [kmol/hr]xS, CO2 = 0,75xS, CO =0,25

Q)Q = 105 [kcal/hr]

Resolución:

Se busca el ícono en el escritorio de la computadora o en el menú de inicio:

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En la pantalla que aparece se pueden abrir casos viejos, muestras, iniciar casos nuevos, etc. Iniciamos un caso nuevo:

A través del wizard elegimos los componentes, paquete de propiedades fisicoquímicas y sistema de unidades:

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Una vez inicializado el caso vamos a editar la configuración del caso (Edit/simulation settings) y en la pestaña de sistemas de unidades hacemos una copia y cambiamos las unidades por las deseadas:

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En la pantalla de trabajo aparecen varios sectores, el del flowsheet, la barra de modulos y status del simulador:

Se inserta una corriente material (material stream) y se configura con los datos del problema:

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De la pestaña de intercambiadores se agrega un calentador (Heater):

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Se lo conecta a la corriente anterior y se crean otra material y una de energía, luego se configura con el calor agregado/removido como dato (Calculation type):

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Insertamos tablas y las configuramos con los datos de las corrientes de entrada, salida y energía:

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Resultado manual = 148,6

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Problema 2: Intercambiador de calor Una corriente de CO2 puro, con una presión de 1 [atm] y un flujo de 100 [kmol/hr] se enfría desde 200 ºC hasta 40 ºC con una corriente de aire que ingresa a contracorriente con una temperatura de 20 ºC y sale a 150 ºC. Calcular:

a) El flujo de calor intercambiado. b) El flujo de aire requerido. c) La diferencia de temperatura media logarítmica (DTML). d) El (UA) requerido por el equipo.

EG)TEG = 200 [ºC]PEG = 1 [atm]FEG = 100 [kmol/hr]xEG, CO2 = 1,000

SG)TSG = 40 [ºC]PSG = 1 [atm]FSG = 100 [kmol/hr]xSG, CO2 = 1,000

EA)TEA = 20 [ºC]PEA = 1 [atm]FEA = ¿? [kmol/hr]xEA, N2 = 0,79xEA, O2 = 0,21

SA)TSA = 150 [ºC]PSA = 1 [atm]FSA = ¿? [kmol/hr]xsA, N2 = 0,79xSA, O2 = 0,21

Intercambiador(UA) = ¿? [kcal/ ºK hr]dtln = ¿? [ºC ]

Resolución:

El comienzo es similar al del problema 1, cambian sólo los componentes.

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Agregamos dos corrientes, EG y EA (a esta última la giramos 180 con el botón secundario del mouse):

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De la pestaña de intercambiadores (Exchangers) agregamos un intercambiador de calor (Heat Exchanger). Le agregamos las corrientes de salida y las nombramos SG y SA:

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El intercambiador se configura para que calcule la salida de la corriente caliente:

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Agregamos las tablas con los datos de todas las corrientes y de la pestaña de operaciones lógicas (Logicals) agregamos un bloque de ajuste (Controller Block) y lo configuramos. Se activa en la casilla “Converge/Solve with Flowsheet Solver”. Si no calcula inmediatamente se presiona F5 y se espera:

Se agrega la tabla con los datos del intercambiador:

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a) 1,608x105 [kcal/hr]

b) 171,2 [kmol/hr] de aire

c) 32,74 [ºK]

d) 5711 [W/m2 ºK]

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Problema 3: Psicrometría

Una corriente de aire con una humedad relativa del 10 %, 1 [atm], 50 [ºC] con un flujo másico de 150 [kg/hr] se satura con agua hasta alcanzar una temperatura de 20 [ºC]. Esta corriente luego se calienta hasta alcanzar la humedad relativa deseada. Calcular:

a) Cantidad de agua que incorpora dicha corriente.

b) Temperatura a la que debe calentarse el aire saturado para alcanzar una humedad relativa del 40 %.

c) Flujo de calor entregado.

Datos:

( )t

Ps+

−=42623363173007131810 ,,,log con PS en [mmHg] y t en [ºC]

Entalpía del aire húmedo:

( )tHAtH ×+×+×=∆ 460595240 ,, En [kcal/Kg aire seco] y t en [ºC]

Agua

AS)TAS = 50 [ºC]PAS = 1 [atm]FAS = 150 [Kg/hr]HRAS = 10 %

AA)TAA = ¿? [ºC]PAA = 1 [atm]

HRAA = 40 %

AH)TAH = 20 [ºC]PAH = 1 [atm]

HRAH = 100 %

Q

Resolución:

Se inicia como los anteriores pero con los componentes que corresponden:

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Agregamos una corriente material (Material stream) AS y la configuramos:

Se agrega otra corriente que será auxiliar:

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En la spreadsheet en la celda B3 impotamos el valor de la presión de la corriente aux que no es otra que la de saturación a la temperatura de alimentación (de este modo se evita usar correlaciones propias como Antoine y se aprovecha la propia capacidad del simulador):

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En la celda B4 se calcula la presión de vapor que corresponde a la HR y psat:

En la celda B5 importamos la presión total de la corriente de entrada:

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En B6 se calcula la fracción de vapor de agua que corresponde a la presión parcial de vapor y presión total:

En B5 la fracción molar del aire:

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Las fracciones se repiten en la celdas C6 y C7 para poder exportarlas:

Estos valores se exportan a la corriente AS, fracción molar de la mezcla tanto para el agua como para el aire (ATENCIÓN: no mezclar valores….):

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Volvemos de nuevo a la pantalla de trabajo y verificamos si la composición dela corriente AS se actualizó. Si no hubo cambios inmediatos recalcular con la tecla F5:

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Agregar otra corriente de agua pura con las siguientes condiciones:

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De la pestaña de separadores y tanques (Separators/Tanks) se agrega un separador gas/liquido (Gas-Liquid Separator):

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Se configura:

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El flowsheet queda:

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Como se aprecia, la temperatura de salida no es la deseada. Debido a la naturaleza modular y secuencial del simulador esa temperatura no puede fijarse directamente. Una forma indirecta de hacerlo es ajustar la temperatura del agua que se incorpora o su flujo másico. Por prueba y error se aprecia que a caudales entre 50 y 100 la temperatura oscila por debajo y por encima de 20 por lo que se infirere que el flujo requerido estará en este intervalo. Modificando a mano se podría ajustar pero, como en el problema anterior, conviene usar el bloque de ajuste (Controller Block):

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Habilitando “Converge/Solve with Flowsheet Solver” y presionando F5 el sistema debería converger (se debe esperar unos segundos…).

Se agrega un heater, se lo conecta y otra corriente auxiliar (aux2) también de agua. Mientras que la primera calcula la presión de saturación acá en cambio calculará la temperatura de saturación:

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40

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Se configura el calentador (Heater) para que lo calcule dada la temperatura de salida:

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De vuelta a la spreadsheet se importa en B11 la fracción molar de agua de la corriente de salida del calentador, AC:

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En B12 se importa la presión total de AC:

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En B13 se calcula la presión parcial del agua (P vap):

Se poner HR= 40 % en la celda B14 y en la B15 se calcula la presión de saturación dada la HR y P vap ya calculadas:

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Se repite la celda B15 a C15 para poder exportarla:

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Se vuelve al flowsheet para ver si se actualizó la corriente aux2 (o presionar F5). Esa es la temperatura a la que debe calentarse la corriente de aire para que tenga uns HR de 40 % solicitada.

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Pero en lugar de copiar y pegar seguiremos usando la spreadsheet. En la celda B16 se importa dicho valor:

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Se iguala en la celda C16 para exportarla:

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En la misma spreadsheet calcularemos el agua aportada. Para eso importaremos los flujos de agua de entrada y salida (Agua y AguaS) y se restan:

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Para que el valor pueda también verse en el flowsheet se inserta una tabla vinculada a la planilla (Insert/Linked Spreadsheet Table). Hacer doble click y seleccionar el rango B21:B21 o donde está el resultado):

El flowsheet ya completamente resuelto queda:

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a) 1,038 [kg/hr]

b) 35,67 [ºC]

c) 574,8 [kcal/hr]

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Problema 4: Termoquímica

Sea la siguiente reacción (usar el paquete Peng Robinson):

( ) ( ) ( ) ( )gggg HCOOHCO 222 +→+

Calcular el calor (en Kcal) a entregar o retirar a 1 kmol de CO si los reactantes entran a 600 ºF y los productos salen a 600 ºF.

Datos:

[ ]

2742

2632

2632

264

0

101662103404645601081362108498830694052105715109634670957798100971103241803626416

TTHTTCOTTOHTTCO

KTKmol

CalCpmolCalHComp f

××+××+××−××+−××+××−−××+××+−

×

∆

−−

−−

−−

−−

,,,,,,,,,,,,

º,º

Resolución:

Se inicia el caso como los problemas anteriores pero cambian los componentes y el paquete de estimación de propiedades fisicoquímicas:

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En el menu Edit/Simulation setting/Systems of units cambiamos el flujo molar a [kmol/hr]]:

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Agregamos la corriente de entrada y la configuramos:

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Ahora configuramos la reacción, (en dwsim 5, en Tools/Reaction manager, en dwsim 6 en Edit/ Simulation setting/Reactions. Se mantiene el set por defecto y se agrega una reacción de conversión. Se configura:

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De la pestaña de reactores (Reactors) agregamos uno de onversión (Conversion Reactor):

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Se lo conecta y configura como isotérmico:

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a)- 9445 [kcal/kmol

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Problema 5: Termoquímica

Si la reacción del problema 4 es adiabática e ingresa a 600 ºF ¿a qué temperatura sale?

Resolución:

Cambiamos la configuración del reactor a adiabático:

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b) 803 [ºC]