Separador de Fases Instantâneo

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6. SEPARACION DE FASES INSTANTANEO 
 
 
1. OBJETIVOS 
 
1.1. Determinar el número de grados de libertad en un separador de fases instantáneo 
1.2. Simular un separador de fases isotérmico adiabático y no adiabático 
1.3. Verificar las ecuaciones del modelo matemático estacionario de un separador de 
fases isotérmico 
 
2. INTRODUCCION 
 
Un separador de fases instantáneo simula la evaporación súbita de una (o varias corrientes). 
El caso típico es el flujo a través de una restricción cuya caída de presión en forma 
adiabática provoca una vaporización parcial, debido a lo cual en un tanque posterior puede 
lograrse la separación en las fases líquido y vapor, respectivamente. Observe la Figura 1 
con la válvula como restricción y el tanque V-100. 
 
 En el modelamiento de un separador de fases se asume que: 
 
1. El líquido y el vapor tienen el tiempo de contacto suficiente para lograr el 
equilibrio 
2. La presión de líquido y vapor son las del tanque separador, es decir, que no hay 
caída de presión 
3. Existe solo una fase líquida y vapor y 
4. No existen reacciones químicas 
 
 
 
 
Figura 1. Separador de fases instantáneo 
 
 
Las ecuaciones de un modelo, en estado estacionario, para un separador instantáneo son 
 
Balances de materia para cada uno de los C componentes (C ecuaciones) 
 
 
 iii LxVyFz += (6.1) 
Balance de energía 
 
 LVF LhVhQFh +=+ (6.2) 
 
Relaciones de equilibrio (N ecuaciones) 
 
 iii xKy = (6.3) 
 
Restricciones 
 
 PPP LV == (6.4) 
 
 TTT LV == (6.5) 
 
El análisis de grados de libertad es el siguiente: 
 
 Variables Cantidad 
 
Corriente Vapor C + 2 
Corriente Líquido C + 2 
Corriente Calor 1 
Total Variables 2C + 5 
 
Ecuaciones y Restricciones Cantidad 
 
Balances de materia C 
Relaciones de equilibrio C 
Balance de energía 1 
Restricciones 2 
Total Ecuaciones y Restricciones 2C + 3 
 
Total grados de libertad 2 
 
Una especificación común es la que corresponde a una separación isotérmica. En este caso, 
se especifican la presión y la temperatura del separador. 
 
Separación instantánea isotérmica 
 
El cálculo de las corrientes de vapor y líquido para este tipo de separación suelen realizarse 
utilizando la ecuación (6) propuesta por Rachford y Rice (1952) que permite calcular la 
fracción de alimento vaporizado, V/F, suponiendo que las constantes de equilibrio son 
independientes de las concentraciones y solo dependen de la temperatura y la presión. 
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 0
)1)(/(1
)1(
1
=
−+
−∑
=
N
i i
ii
KFV
zK
 (6.6) 
 
 
Separación instantánea adiabática 
 
Una especificación muy común es la que corresponde a una separación instantánea 
adiabática (Q = 0). En este caso, fijado Q, solo queda por asignar una variable, por ejemplo, 
la presión de operación del sistema. De esta manera, quedan por calcularse la temperatura y 
demás propiedades de las corrientes de salida. 
 
Dado que se desconoce la temperatura, el balance de energía queda acoplado y debe 
resolverse simultáneamente con la ecuación (6.6). Para ello, la ecuación (6.2) se expresa 
como una función de temperatura y fracción vaporizada de la siguiente manera: 
 
 
 
F
L
F
V
h
h
FV
h
h
FVFVTg ))/(1()/(1)/,( −−−= (6.7) 
 
 
Para la solución simultánea de las ecuaciones (6.6) y (6.7) se puede proceder de la siguiente 
manera 
 
1. Se supone una temperatura 
2. Se calcula la fracción de vaporización con la ecuación (6.6) y 
3. Se verifican dichos resultados con la ecuación (6.7) definiendo un error para la 
función g(T, V/F) 
 
 
3. SIMULACION DE UN SEPARADOR DE FASES INSTANTANEO 
 
1. Abra un nuevo caso y añada el siguiente paquete fluido 
a. Ecuación: Peng Robinson 
b. Componentes: Etano, Propano, n-Butano, n-Pentano, n-Hexano 
c. Unidades: Field 
 
2. Haga clic sobre el botón “Enter Simulation Environment” para desplegar la 
ventana PFD de HYSYS 
 
3. Presione con el botón derecho del Mouse el icono de la corriente de materia y en 
forma sostenida arrastre el Mouse hasta la ventana del PFD 
 
4. Introduzca las siguientes especificaciones 
 
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a. Nombre: F 
b. Temperatura: 150 °F 
c. Presión: 50 psia 
d. Composición (Fracción molar) 
i. Etano 0.05 
ii. Propano 0.15 
iii. n-Butano 0.25 
iv. n-Pentano 0.2 
v. n-Hexano 0.35 
 
5. Instale una válvula de Joule-Thompson, asígnele como nombre “VLV-100” y 
conéctela con corriente de entrada “F” y corriente de salida “F1” 
 
6. Haga clic en la página “Parameters” de su ventana de propiedades e introduzca 
una caída de presión de 1 psi en el cuadro “Delta P” 
 
7. Instale un separador de fases seleccionando de la paleta de objetos el icono de 
nombre “Separator”, asígnele como nombre “V-100” y conéctelo como indica la 
Figura 2. 
 
 
 
 
Figura 2. Corrientes de materia y energía conectadas al separador 
 
 
8. Haga clic en la página “Parameters” e introduzca una carga calórica de cero en 
el cuadro de nombre “Duty” y seleccione el radio botón “Heating”, como se 
observa en la Figura 3 
 
9. Haga clic en la pestaña “Rating” para observar la ventana que permite definir 
algunos aspectos geométricos corto del tanque separador. Observe que en el 
grupo “Geometry” se elige la forma del tanque (Cilíndrica o Esférica), la 
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orientación (Vertical u Horizontal) y un dimensionamiento de volumen, altura y 
diámetro 
 
10. Haga clic sobre el botón “Quick Size” y observará que HYSYS propone unas 
medidas para el diámetro y la altura y calcula el correspondiente volumen. El 
usuario puede modificar estas dimensiones especificando dos de ellas con las 
cuales HYSYS calcula la tercera. Observe la relación altura/ diámetro definida 
para el dimensionamiento en la Figura 4 
 
 
 
 
Figura 3. Carga calórica asignada al separador 
 
 
 
 
Figura 4. Dimensionamiento del tanque separador 
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11. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y observe los flujos y las entalpías de las 
corrientes de producto del separador. Verifique el cumplimiento de la ecuación 
(6.7) 
 
12. Cambie la carga calórica al separador por un valor de 5e+5. ¿Qué cambios con 
respecto a la operación adiabática se observan en los resultados de la 
simulación?. Verifique dichos resultados con las ecuaciones 
 
4. CASOS DE ESTUDIO 
 
1. Borre la temperatura especificada para la corriente “F” e introduzca un valor de 
65000 Btu/lbmole en el cuadro “Molar Enthalpy”. ¿Explique lo realizado y los 
cambios observados en los resultados de la simulación? 
2. Borre la presión especificada para la corriente “F” e introduzca un valor de 150 °F 
para la temperatura manteniendo la entalpía molar introducida anteriormente. 
¿Explique lo realizado y los cambios observados en la simulación? 
3. Simule la separación para una presión de 50 psia y una fracción de vaporización de 
0.4. Analice los resultados 
4. Simule la separación para una tempertura de 150 °F y una fracción de vaporización 
de 0.6. Analice los resultados 
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