Trabajo Final 2do Corte Simulación

8/16/2019 Trabajo Final 2do Corte Simulación

1/19

SEGUNDO PARCIAL MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS.

LÓPEZ AYALA JOSÉ FRANCISCO.

BUELVAS AYÚS SAIL SAMETH.

PACHECO GALEANO GISELLE

OSPINA FABRA CARLOS.

ELECTIVA DE PROFUNDIZACIÓN “SIMULACIÓN DE PROCESOSTÉRMICOS”

ING: RAFAEL GÓMEZ.

SEMESTRE X

FACULTAD DE INGENIERA.

INGENIERA MEC!NICA.

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA.

MONTERA

"#$%

$. Realizar una simulación dinámica de procesos empleando la herramienta Simulink.


2/19

El proceso consta de un sistema con dos entradas de flujo másico y una entrada de vapor

saturado para controlar la temperatura de mezcla. El sistema es sensible ante los cambios de

temperatura ambiente con un coeficiente de transferencia de calor paredes de40

W

m2

° C

la temperatura ambiente se mantiene con variaciones fluctuantes entre 25 ! y "5 ! y la

temperatura de salida de la mezcla deberá estar entre #$ ! y %$ !. &suma el volumen del

tan'ue y los flujos másicos de entrada. El sistema tambi(n presenta una variación con

respecto a la masa por lo cual el nivel del proceso es dinámico.

Figura 1. Esquema del proceso descrito en el ejercicio:

&' Realice un planteamiento de los balances de masa y ener)*a en estado transitorio.(' Realice la simulación del proceso y eval+e el cambio de nivel con respecto a

cambios de flujo.

)' !ambio de temperatura con respecto a cambio de flujo.*' !ambio de temperatura con respecto a vapor saturado.+' !ambio de temperatura con respecto a la temperatura del ambiente.

Nota: el sistema debe parametrizarse con respecto a las herramientas de Matlab.

2


3/19

Solución,

a- El balance de ener)*a 'ue se plantea de acuerdo a las variables 'ue intervienen en el

proceso es,

ρ q1 (t ) C p T 1 (t )+ ρ q2( t ) C pT 2 (t )+mv ( t ) h fg− H A transf (T 3 (t )−T α )− ρq3 (t ) C p T 3 (t )

¿ ρA C vdh(t ) T 3 (t )

dt

&hora el balance de masa 'ueda de la si)uiente forma,

m1( t )+m2 (t )−m3 ( t )= ρA

dh(t )

dt

ρ q1 (t )+ ρ q2( t )− ρq3 (t )= ρA

dh( t )

dt

q1 ( t )+q2 (t )−q3 (t )= A

dh(t )

dt

!on el balance de masa y ener)*a se pro)ramó el sistema en atlab a trav(s de la

herramienta Simulink para lo cual 'uedó la si)uiente interfaz inicial,

3


4/19

Figura 2. Simulación inicial del proceso a estudiar.

/onde el área del tan'ue se encerró en un subsistema para simplificar la interfaz y 'ue se

muestra a continuación,

Figura 3. Subsistema rea del tanque.

0 el área de transferencia de calor tambi(n se encerró en un subsistema1 la cual como se ve

depende de la altura de la mezcla dentro del tan'ue y 'ue por eso se une con la seal

saliente del inte)rador del balance de masa. Este subsistema se muestra en la si)uiente

ima)en,

4


5/19

Figura !. Subsistema rea de trans"erencia de calor del tanque.

&hora enmascarando y restrin)iendo las variables 'ue poseen ran)os de acuerdo a lo

descrito en el proceso1 las cuales corresponden temperatura ambiente y temperatura de

salida de la mezcla nos 'ueda el si)uiente sistema,

5


6/19

Figura #. $roceso %a enmascarado % parametrizado.

&l final1 ya el sistema enmascarado y parametrizado1 nos 'ueda la si)uiente interfaz donde

se pueden estudiar cada uno de los aspectos re'ueridos,

6


7/19

Figura &. 'nter"az "inal para estudiar los parmetros establecidos.

3os resultados de la simulación se presentan a continuación,

7


8/19

Figura (. )emperatura *s. )iempo

Figura +. ,i-el *s. )iempo

a) Realice la simulación del proceso y evalúe el cambio de nivel con respecto a

cambios de flujo.

8


9/19

Figura . ,i-el a di"erentes "lujos de entrada % salida.

!omo se puede ver en la fi)ura %1 en la medida en 'ue aumenta la diferencia entre los flujos

de entrada y salida el nivel aumenta pues en el tiempo no se alcanza a desplazar toda la

mezcla 'ue está entrando. En cambio cuando el flujo de entra i)uala al flujo de salida el

nivel se mantiene constante como se ve en la +ltima l*nea.

a) Cambio de temperatura con respecto a cambio de flujo.

Figura 1/. )emperatura de salida de la mezcla a di"erentes "lujos de entrada % salida.

9


10/19

!omo se puede ver en la fi)ura 4$ la temperatura de salida es muy susceptible a los flujos

de entrada y salida pero como se puede ver lo 'ue cambia es su ma)nitud pero la

temperatura si)ue presentado el mismo comportamiento 'ue se caracteriza por un aumento

pro)resivo para una posterior estabilización dentro de los l*mites ya establecidos.

b) Cambio de temperatura con respecto a vapor saturado.

Figura 11. )emperatura de salida de la mezcla con respecto al -apor.

c) Cambio de temperatura con respecto a la temperatura del ambiente.

10


11/19

Figura 12. )emperatura de salida de la mezcla a di"erentes -alores de temperatura ambiente.

/e acuerdo a los comportamientos mostrados en la fi)ura 44 y 42 donde se evalua la

temperatura con respecto al vapor y la temperatura ambiente respectivamente1 se puede

lle)ar a decir 'ue la temperatura de salida de la mezcla es menos susceptible a estos dos

parámetros de acuerdo a la variación obtenida para los cambios de flujo.

Este comportamiento se debe1 en el primer caso 'ue ser*a los cambios de vapor1 a la

relación ener)*a de flujo de vapor versus cantidad de mezcla a calentar pues para el caso

establecido se estipulo un volumen considerable 'ue ei)e o una mayor cantidad de flujo de

ener)*a o un mayor tiempo de calentamiento. 6ara el se)undo caso se debe a la ma)nitud

del coeficiente de transferencia de calor dado 'ue tiene un valor de40

W

m2=0,04

KW

m2 y

'ue resulta bajo teniendo en cuenta la ma)nitud del calor 'ue pueden aportar las mezclas

producto de su alto calor espec*fico.

". Se va a realizar una reacción de isomerización de 2127dimetilbifenilo1 el cual se obtienemediante la oidación catal*tica de tolueno1 para la obtención del monómero 81"79

dimetilbifenilo. 6ara esto se conoce 'ue la materia prima tiene una pureza del %: ;. 3aisomerización se lleva a cabo en un reactor 'ue trabaja a presión atmosf(rica y una

temperatura de 8abla 4.

11


12/19

Propiedad Valor

Ener)*a de activación 9%":24.:# ?@Amol-

Entalp*a de reacción 9488%


13/19

C Ai= ρ

M ∗ pureza=

866

182.26∗0.96=4.5614

Kmol

Kg

Se realiza el balance dinámico del reactor,

q C Ai (t )−V r A (t )−q C A (t )=V d C A (t )

dt

Sabiendo 'ue la tasa de reacción se define por la ecuación de &rrhenius,

r A (t )=k 0e− a / !T (t )

C A (t )

0 la ecuación del balance ener)(tico del reactor es,

qρCpTi (t )−V r A

(t ) (" Hr )−qρCpT ( t )=VρCv dT

dt

>eniendo esas tres ecuaciones se puede observar la relación directa 'ue hay entre cada una

de ellas1 por lo 'ue se procede a realizar el modelamiento en el softDare at3ab con la

herramienta Simulink,

13


14/19

Figura 1!. 0iagrama del modelamiento del reactor

En este sistema se encuentran un subsistema correspondiente a la Ecuación de &rrhenius

con el fin de simplificar el modelado actual,

Figura 1#. Subsistema para Ecuación de rrhenius.

14


15/19

3ue)o de esto se procede enmascarando el sistema del reactor

Figura 1&. Enmascarado del sistema.

&'u* se presentan las variables de entrada 'ue son el flujo y la temperatura de inicio de

reacción1 los cuales pueden cambiar para determinar la sensibilidad entre el uno y el otro

de salida se tiene la variación de la temperatura de la reacción con respecto al tiempo1 la

variación de la tasa de reacción y de la concentración de los reactivos con respecto al

tiempo y la temperatura.

3os resultados se presentan a continuación,

15


16/19

Figura 1(. )emperatura de reacción con respecto al tiempo

Figura 1+. )asa de reacción con respecto al tiempo.

16


17/19

Figura 1. oncentración de los reacti-os con respecto al tiempo.

17


18/19

Figura 2/. )emperatura de reacción con respecto a di"erentes temperaturas iniciales en el tiempo.

>eniendo en cuenta la fi)ura 2$ se puede lle)ar a decir 'ue a medida 'ue aumenta 4$

)rados entre la temperatura inicial aun'ue la temperatura de isomerización es 8


19/19

/e acuerdo a la fi)ura 24 se puede decir 'ue aun'ue var*e la concentración de los reactivos

iniciales al final de un tiempo determinado siempre se mantiene estable.

Figura 22. )emperatura de reacción con respecto a cambios de "lujo de reacti-o.

/e acuerdo a la fi)ura 22 se puede ver 'ue en la medida en 'ue se aumenta el flujo de

reactivo la temperatura de reacción se estabiliza en un comportamiento menos fluctuante

presentando pocas alteraciones antes de su estabilización. En la fi)ura las l*neas roja1 azul y

amarilla tienen un menor flujo de reactivo y son las 'ue presentan un comportamiento

etrao antes de estabilizarse.

19

Documents

Trabajo Final 2do Corte Simulación