Javier van Herpt Valdivia
BASES DE LA INGENIERIA QUIMICA – QUIMICA – TRABAJO TRABAJO DIRIGIDO PROBLEMA 9 El metano reacciona con cloro para producir cloruro de metilo y cloruro de hidrógeno. Una vez formado, el cloruro de metilo puede sufrir una cloración más amplia para dar cloruro de metileno (CH2Cl2). El proceso de producción de cloruro de metilo consta de reactor, columna de destilación y columna de absorción. Una corriente gaseosa que contiene 80% de metano junto con cloro se alimenta al reactor, donde se alcanza una conversión del 100% de cloro. La proporción molar entre el cloruro de metilo y cloruro de metileno en el producto es de 5:1. La corriente de producto fluye al condensador. De éste emergen dos corrientes: el condensado líquido, que contiene casi todo el cloruro de metilo y el cloruro de metileno, y un gas que contiene metano, cloruro de hidrógeno , cloruro de metilo (0.2%) y cloruro de metileno (0.036%). El condensado pasa a la columna de destilación donde se separan los dos componentes. El gas que sale del condensador fluye a la columna de absorción donde entra en contacto con una solución acuosa que absorbe todo el HCl. El líquido que sale del absorbedor contiene un 40% de agua y se bombea a otra unidad de la planta para seguir procesándolo, y el metano se recircula y se une con la alimentación fresca. La corriente combinada se alimenta al reactor. Para una alimentación al reactor de 1000 kmol/h, determine : a) Análisis de grados de libertad del sistema. Para ello se deberá rellenar la tabla correspondiente (Página 3) b) Plantear, sin resolver, las ecuaciones necesarias para determinar todas las variables del sistema (Página 3) c) Calcular todas las variables del sistema haciendo uso de Matlab (Página 4). (Script en Páginas 5-6)
F7
7 xM7=1
1
2
F1 xM1
VC1
xC1
Reformador REACTOR
F2 xM2=0.8 xC2=0.2
VC2
3
5
CONDENSADOR
F3
F5
xM3
xT5=0.002
xT3
xD5=0.00036
xD3 xA3
VC3
xM5
F6 xW6=0.4 xD6 xT6
VC4
10
xA5
4
6
COLUMNA ABSORCIÓN
xA6
F10 xW10=1
F4 xT4 xD4
CH4
M
H2O
W
Cl2 C HCl
A
CH3Cl
T
(Cloruro de metilo) CH2Cl2 D (Cloruro de metileno)
Resultados: F1 – F1 – 371.4 371.4 F2 – F2 – 1000 1000 F3 – F3 – 1000 1000 F4 -171.43 F5 – F5 – 828.5 828.5 F6 – F6 – 333.33 333.33 F7 – F7 – 628.57 628.57 F8 – F8 – 142.857 142.857 F9 – F9 – 28.57 28.57 F10 – F10 – 133.33 133.33
8
COLUMNA DESTILACIÓN
F8 xT8=1
VC5
F9
9 xD9=1
13
TABLA DE GRADOS DE LIBERTAD Número Variables Variab les independientes inde pendientes
22
Ecuaciones Ecua ciones de BM independie ntes Flujo Fl ujoss Variables Composiciones independientes Velocidades de especificadas reacción
16 1 4
Identificación de las mismas F1,F2,F3,F4 ,F5,F6,F7,F8,F9,F10 x M1 ,x C2 ,x M3 ,xT3,xA3,xT4,xD5 ,xM5 ,xA5,xW6 ,xD6,xA6 VC1=2, VC2=3(Elementos) VC2=3(Eleme ntos),, VC3=4, VC4=5, VC5=2 F1=100 F1=1000 0 kmol/h kmol /h
x C2 =0.2, x W6=0.4, x T5=0.002, x D5 =0.00036
0
Relaciones adicionales
1
Grados de Libertad
0
3 3
=5
22-16-1-4-1=0
ECUACIONES ECUACIONES DE BALANCE BALA NCE DE MATERIA MATERIA VC1
→ 1 1 + 7 − 2 2 = 0 → 1 1 − 2 2 = 0
VC2 (Por elementos) ele mentos)
→ 2 2 − 3 3 − 3 3 − 3 3 = 0 → 22 2 − 3 3 − 23 3 − 3 3 = 0 → 42 2 − 43 3 − 33 3 − 23 3 − 3 3 = 0
VC3 → 3 3 − 5 5 = 0 → 3 3 − 4 4 − 5 5 = 0 → 3 3 − 4 4 − 5 5 = 0 → 3 3 − 5 5 = 0
VC4 → 5 5 − 7 = 0 → 5 5 − 6 6 = 0 → 5 5 − 6 6 = 0 → 5 5 − 6 6 = 0 → 10 − 6 6 = 0
VC5
→ 4 4 − 8 = 0 → 4 4 − 9 = 0
SOLUCIÓN OBTENIDA CON MATLAB Variable
Valor
F1
371.4285714
F2
1000
F3
1000
F4
169.4685171
F5
830.5314829
F6
336.6000905
F7
628.5714286
F8
141.1960799
F9
28.27243724
F10
134.6400362
xA3
0.2
xA5
0.240809655
xA6
0.594176905
xC1
0.538461538
xC2
0.2
xD3
0.028571429
xD4
0.166830027
xD5
0.00036
xD6
0.000888269
xM1
0.461538462
xM2
0.8
xM3
0.628571429
xM5
0.756830345
xT3
0.142857143
xT4
0.833169973
xT5
0.002
xT6
0.004934826
xW6
0.4
SCRIPT MATLAB SOLUCIÓN %Edi t ed by by J avi er va van n Her pt Va Val di vi a, not t he or or i gi nal owner of t he f i l e. %P0 P09 9_BEQ_13 _13-- 14 Sol uti on r ega egarr di ng al l compon onent ent s % Cl ea ean n t he scr een and r emov ove e al l t he va varr i ab abll es i n t he Wor kspace kspace cl c, cl ear % Del et e de pr evi ousl y created phys ysii ca call _sol ut i on. t xt del et e( ' phys i cal _ s ol ol u t i on. t x t ' ) ; % Onl y the r eal sol ut i ons wi l l be di sp spll aye yed d s yms real % Take i nt o acco accoun untt al l t he i nde dep pende den nt mat er i al bal ance eq equat i ons, t he % sp spe eci f i ed va var i ab abll es, t he ad addi t i onal r el at i ons an and the su sum mmat i on of of t he % mol e or or mass f r act i ons f or each st r eam % Speci ec{1}=' ec{2}=' ec{3}='
f i ed var i ab abll es F2=1000 1000'' ; xW6=0. 4' ; xC2 xC 2=0. 2' ;
% Addi t i onal r el el a t i on s ec{4}=' ( xT xT3 3/ xD3) =5' ; % I ndep epen end dent mat eri al bal ance ance eq equat i ons % VC VC1 1 ( Co Com mposi t i on ons) s) ec{5}=' F1* F1*xM xM1+ 1+F7- F2* F2*x x M2=0' ; %M ec{6}=' F1*xC1 F1*xC1-- F2* xC xC2= 2=0' ; %C % VC VC2 2 ( El ement s) ec{7}=' F2*xM2- F3* xT3 xT3-- F3*xD F3*xD33- F3* xM3=0' ; ec{8}=' 2*F2 2*F2* * xC xC22- F3*xT3- 2*F 3*xD *xD33- F3 F3*x *x A3=0' ; ec{9}=' 4*F2* xM2- 4* F3* xM3- 3* F3*xT3- 2* F3*xD F3*xD33- F3* xA xA3= 3=0' ; % VC VC3 3 ( Co Com mposi t i on ons) s) ec{10}=' F3*x M3- F5* xM5=0' ; ec{11}=' F3 F3*x *x T3 T3-- F4*xT4- F5 F5*x *x T5 T5= =0' ; ec{12}=' F3*xD F3*xD33- F4* xD4- F5*xD F5*xD5= 5=0' ; ec{13}=' F3*xA3 F3*xA3-- F5* xA xA5= 5=0' ; % VC VC4 4 ( Co Com mposi t i on ons) s) ec{14}=' F5*x M5- F7=0' ; ec{15}=' F5 F5*x *x T5 T5-- F6*xT6=0' ; ec{16}=' F5*x D5- F6* xD xD6= 6=0' ; ec{17}=' F5*xA5 F5*xA5-- F6* xA xA6= 6=0' ; ec{18}=' F10- F6* F6*xW xW6=0' ;
%C %Cl %H
%M %T %D %A
%M %T %D %A %W
% VC VC5 5 ( Co Com mposi t i on ons) s) ec{19}=' F4 F4*x *x T4 T4-- F8=0' ; %T ec{20}=' F4*xD F4*xD44- F9=0' ; %D % Summat i on of of t he mol e or or mass f r act i on ons s f or ea each ch st r eam ec{21}=' xM1+ 1+xC1= xC1=1' ; %St r ea eam m1 ec{22}=' xM2+ 2+xC2= xC2=1' ; %St r ea eam m2 ec{23}=' xM3+xT3+ 3+xT3+x x D3+x A3=1' ; %St r ea eam m3 ec{24}=' xT4+xD4=1' ; %St r ea eam m4 ec{25}=' xT xT5+xD 5+xD5+x M5+x A5=1' ; %St r ea eam m5 ec{26}=' xW6+xA6+x D6+x T6= T6=1' 1' ; %St r ea eam m6 % 2 Speci f i ed co com mposi t i ons t hat wer e no not i ncl ud ude ed i n t he f i r st wordi ng. ec{27}=' xD xD5= 5=0. 00 00036' 036' ; ec{28}=' xT5 xT5= =0. 00 002' 2' ;
S=sol ve( ec{1: ec{1: 28}) 28}) ; % Convert t he str ucture ar ar r ay t o ce cell l ar r ay C=st r uct 2cel cel l ( S) ; % Get st r uct ur e f i el d na names, corr espo spon ndi ng t o t he va varr i abl es col umn_1=f i el dnam dnames( S) ; % Get al l t he mat hemat i ca call so soll uti ons f or i =1: l ength(C) gth(C) col umn=C{i }; col col umn_2( i , : ) =col col umn' ; end % Show al l t he mat hemat i cal so soll ut i ons mat hemat i cal _sol ut i on=[ col umn_1, col umn_2] % Choose t he sol ut i on wi t h ph physi cal cal meani ng cor cor r ect ect _col umn=i npu nput ( ' I ndi ca l a col col umna con con l os resul resul t ado dos s cor cor r ect os= ' ) ; % Get t he sol ut i on wi t h phy hysi si cal mean anii ng f or i =1: l ength(C) gth(C) col col umn_3( i ) =C{i }( cor cor r ect _col umn) ; end % Tran Trans s pose col umn_ 3=col umn_3' ; % Open a t e x t f i l e f o r wr i t i ng t he he p hy hys i c al al s ol ol ut i o n di ar y ' phys i cal _ s ol ol ut i on. t xt ' % Show t he ph phys ysii cal sol ut i on physi cal _sol ut i on= on=[ col umn_ 1, col col umn_3] % Cl os e t he t e xt xt f i l e di ar y of f
