Combustion Completa del Metano Utilizando DWSIM

Qué tal, cómo están mis estimados? Les habla Eduardo Díaz y bueno, saliendo de un tema de lo que siempre he hecho videos de YouTube acerca de juegos y de cosas, hoy vamos a hacer DWSIM. Para los que me seguían en YouTube, pero que eran fieles a lo que publicaba de ingeniería química, pero esta vez vamos a hacer una simulación.

Y van a ser varios videos sobre esto, espero que les encante esta, esta serie.

Y por favor, no salgan, no salgan de casa, quédense en casa, chicos.

Bueno, vamos a una simulación nueva, vamos a simular una combustión completa del metano con oxígeno.

Okay, vamos para ahí.

Primero vamos a colocar los componentes que va a tener nuestra simulación.

Este video no va a ser editado, así que va a ser a pura voz y sin edición para que se explique qué es lo que estoy haciendo y qué es lo que me estoy equivocando.

Porque cuando se cortan los videos en una simulación, pues no se sabe qué errores hay, ¿no?

Bueno, el chiste es que nos equivoquemos.

Vamos, vamos a hacer la combustión.

Bueno, para la combustión completa necesitamos cuatro componentes en una reacción.

Dos componentes que van a ser los reactantes y dos componentes que son los productos.

Entonces, vamos a incluir los cuatro componentes.

Vamos a poner metano.

Metano, sí, la fórmula CH4, lo conocemos.

Oxígeno.

Oxígeno muy importante.

Luego tenemos el dióxido de carbono, CO2.

Y como es una combustión completa, vamos a agregar agua.

Los que saben de química saben muy bien que la combustión completa solo incluye dióxido de carbono y agua.

La combustión incompleta incluye monóxido de carbono, entonces hasta ahí todo bien, ¿verdad?

Entonces ya tenemos los cuatro componentes que vamos a trabajar en nuestra simulación.

Cuatro componentes que ya están acá seleccionados, añadidos y le damos siguiente.

Ahora es muy importante utilizar el paquete de propiedades adecuado.

Yo para este tipo de, de tipo de reacciones, recomiendo la NRTL.

Este paquete me da cierta asertividad, cierto acercamiento en cuanto a resultados.

Y la cantidad de propiedades que tiene, bueno, propiedades que simplemente te da.

Eh, eh, más exactitud en cuanto a otros tipos de modelamientos matemáticos.

Y también a paquete de propiedades de que pueda.

Digamos, tener una exactitud, exactitud no podría decir, una confiabilidad en los datos.

El NRTL te los da.

Le damos a finish.

Okay, ya tenemos ya nuestro entorno ya preconfigurado.

Y ya tenemos nuestro panel principal para poder agregar los componentes que se necesitan.

Ahora vamos por ellos.

Para una combustión completa necesitamos mezclar dos componentes.

Okay, entonces.

Vamos a agregar un stream mixer, un mezclador de flujos.

Que este va a unir dos componentes en uno.

O sea, una, un componente que.

Que solamente de una, de un stream, o sea, de dos a uno.

Y vamos a agregar el reactor que vendría a ser de conversión.

Porque sí, es una conversión, está convirtiéndose el metano y el oxígeno en dióxido de carbono y agua.

Entonces, ya tenemos los dos componentes importantes.

Vamos a agregar los flujos másicos del mezclador.

Lo que tenemos que hacer es darle clic al trueno, que significa crear y conectar para el primero.

Tenemos un flujo.

Y tenemos dos flujos.

Y ahora tenemos una salida.

Okay, vamos a salir un stream.

Ya tenemos tres componentes.

Como pueden ver, aquí están los nombres.

Vamos a separarlos para que se vea mucho mejor.

Vamos a ponerlo aquí.

Y vamos a poner el reactor.

El reactor es, es alimentado por el MSTR04.

Que después le vamos a cambiar el nombre, ¿no?

Y va a tener dos salidas, una y dos, y una de energía.

Okay, completamos toda esta lista, ¿por qué?

Porque va a entrar energía para que suceda la reacción.

Entonces, tenemos aquí el balance, también tenemos nuestro flujo energético.

Okay, vamos a ponerle nombre.

Vamos a colocarle el nombre y posteriormente le damos enter para que se confirmen los cambios.

Arriba vamos a poner metano.

Info, enter, okay.

Le damos metano y acá abajo le ponemos el componente oxígeno.

Es muy bueno que le pongan el nombre porque nos hace más fácil saber, ¿no?

Y acá mezcla.

Mezcla CH4O2.

Sí, mezclador y mezcla CH4O2.

Y acá reactor.

No puede ser reactor, puede ser caldera, lo que ustedes quieran.

De acuerdo al, de acuerdo a lo que están haciendo.

Para que sea entendible, puesto combustión.

En este caso, ahora, va a ir dos componentes, un gas.

Gases.

Y acá por abajo van a ser líquidos, ¿no?

Líquidos.

Listo, tenemos ya nuestro algoritmo desarrollado.

Lo que tenemos que hacer ahora es simple, tenemos que darle los valores para cada componente.

Okay, para el primero vamos a dar para el metano.

Tenemos aquí el flujo másico, es muy importante saber qué unidades vamos a utilizar.

Estamos utilizando el sistema internacional, por lo tanto trabajamos con kilogramos.

Kilogramos segundo.

Okay, yo le voy a dar uno de flujo másico.

Un metano.

Al oxígeno le voy a dar cuatro, cuatro flujos másicos.

Cuatro kilogramos por segundo.

Y luego se dan cuenta que cambia las propiedades de este componente.

Okay, es muy importante darle enter siempre.

Segundo.

Al metano le voy a poner la.

Vamos a limpiar esto, vamos a colocarle puro.

¿Por qué puro?

Porque es puro metano.

Si en caso tenemos una mezcla de metano y oxígeno, digamos, al 99, 95, 5, 90, 10, colocamos 90, o sea, 0.9 y 0.1.

En ese, es en caso que ustedes hagan los balances, digamos, con componentes mezclados.

Pero en este caso tenemos componentes puros.

Okay, aceptamos los cambios y listo.

Ahora vamos para oxígeno.

Oxígeno tenemos flujo másico de cuatro y los componentes las limpiamos.

Y colocamos un componente uno, que vendría a ser 100% de oxígeno.

Aceptamos los cambios y listo.

Como podemos ver, todo está de acuerdo a lo que hemos hecho.

¿Por qué ponemos 4 kilogramos por segundo?

Ahorita les voy a explicar por qué.

Ahora vamos a la parte de la explicación y por qué la, y la reacción propiamente dicha.

Lo que tenemos que hacer es simplemente darle a settings.

Y le damos acá a reacciones.

Reacciones tenemos, eh, no tener una reacción química.

No.

Una reacción química.

Okay, le vamos a poner de nombre reacción de combustión.

Porque es una combustión.

Descripción, ya, bueno, lo que ustedes quieran.

Entonces, en esta reacción va a incluirse estos componentes.

Okay, va a incluirse el metano, el oxígeno, el dióxido de carbono y el agua.

Y ahora es muy importante colocar también el balance.

El, el componente base, el metano.

¿Por qué componente base?

Porque es el, el combustible.

Así que le damos aquí.

Ahora, es muy importante.

No tenemos una ecuación específica.

Okay, tenemos que crear una ecuación.

Pero sabemos que es la ecuación metano, o sea, CH4 más oxígeno molecular, o sea, O2, me va a dar CO2, o sea, dióxido de carbono, más agua.

Pero esa ecuación no está balanceada.

Por lo tanto, haciéndolo balanceos, vamos a tener una ecuación que es CH4, o sea, un metano, por cada mol de metano tenemos que necesitamos dos moles de oxígeno.

Que van a generar un mol de CO2.

Mol de dióxido de carbono y dos moles de agua.

Entonces, lo que tenemos que hacer es en la parte de los productos.

Van a ser positivas y la parte de los reactantes negativas.

A qué voy.

Acá lo vamos a colocar.

Para el metano sabemos que solamente necesitamos un mol.

Le ponemos -1.

Lo pueden ver aquí.

Oxígeno necesitamos dos moles, por lo tanto -2.

El dióxido de carbono uno.

Como les he dicho, el.

El producto va positivo, los reactantes van negativos.

Okay.

Y el agua ya sabemos que va a generarse dos moléculas de agua.

Entonces, tenemos aquí nuestra reacción.

CH4 + 2O2 me da CO2 + agua.

Ahora.

Acá vemos que nos ha salido un error.

Se dan cuenta.

Yo lo he hecho a propósito.

¿Para qué? Para que sepan por qué este, por qué el, este coeficiente estequiométrico.

Nos, eh, modifica la reacción.

Se dan cuenta que el, el dióxido, el agua está como negativo acá, ¿verdad?

Y acá está, entonces, aparece como una parte de los reactantes.

Entonces, le colocamos, en realidad debería ir dos.

Entonces, eso es así un error que para mostrarles.

Cómo funciona este coeficiente estequiométrico.

Entonces, tenemos aquí que ahora sí tenemos la ecuación CH4 más dos moles de oxígeno nos da CO2 más dos moléculas de agua.

Okay, tenemos todo esto.

La estequiometría está correcta.

Si en caso sale error, le podemos dar balance y nos puede ayudar un poco.

Ahora.

Importante, esta es la base.

El componente base, metano.

Pero, ¿en qué fase, señores?

La fase tiene que ser líquida.

No.

Tiene que ser gas.

Gas.

¿Por qué? Porque son gases, es una mezcla.

Que va a ser de gases, el metano y el oxígeno son gases, señores, eso por cultura, por química, sabemos que es, es estado.

Y luego tenemos la conversión, queremos convertir totalmente.

Entonces, le ponemos 100 de conversión.

Ya tenemos todo configurado y solamente le damos okay.

Ya tenemos nuestra reacción de combustión ya creada.

Nuestra ecuación, todo completo, ya vemos que todo está listo.

Le damos cerrar.

Ahora.

Qué sigue.

Vamos a darle la simulación.

Primero vamos a ver que la mezcla esté en inlet mínimo.

Ya.

Y el reactor de combustión no es adiabático, señores.

Es isotérmico.

¿Por qué?

Porque no hay cambio de presión.

Todo va a trabajar a la misma presión.

Sí.

Sí, no trabaja la misma presión en realidad.

Sino que trabaja a una misma temperatura para todos los componentes.

Entonces, va a ser isotérmico.

Ya.

Puede ser también adiabático.

Sí.

Pero en este caso no, porque estamos hablando de componentes en fase gaseosa.

Y, y cuando hay componentes en fase gaseosa, los, eh, no puede haber un entorno adiabático.

Sabemos que el adiabático es presión constante.

Entonces, eso, eso nos impide hacer la reacción.

En cambio, en modo isotérmico, sí.

Sí se puede hacer.

Porque son gases.

Eh, bueno, un poco de termodinámica y fisicoquímica de la antigua, de la antigua.

Bueno, tenemos aquí todo configurado.

Okay, el reactor de combustión, todo listo.

Tenemos aquí todo esto, acá le ponemos el nombre, le ponemos energía.

Ya está.

Todo listo.

Ya le damos enter y ya está.

Vamos a tener esto y vamos a darle a reacción.

Force solve y ya está.

Ya resolvió y la, y ya está.

Okay, vamos a ver los resultados.

En el gas, propiamente dicho, los componentes deben estar aquí.

Okay, como pueden ver, ya no hay presencia de oxígeno.

El oxígeno se ha consumido casi totalmente, esto equivale en realidad a un 0.5% de oxígeno que se ha quedado.

O sea, quedaría 0.5.

Porcentaje de oxígeno, componente oxígeno en la salida gas.

Okay, o sea, casi nada, casi ni 1%.

Porque 1% es 0.01, 10% es 0.1.

0.01 es 1, 0.1%.

Ustedes saben eso.

Pero vemos que ha generado 0.96, o sea, 96% es dióxido de carbono.

Lo que significa que lo que queda es un, es un 3% de agua, agua en vapor.

Sí, vapor de agua.

Y tenemos aquí el líquido que nos calculó.

El componente es.

Eh, metano se, se, combustionó todo.

0% de metano.

Oxígeno tenemos, eh, 1.15 elevado a la -7.

O sea, una cantidad muy pequeña.

Y dióxido de carbono, acá pueden ver que está a 0.005.

O sea, tiene 0.5, 0.5% de dióxido de carbono en fase líquida.

Y agua tenemos 0.99, o sea, casi la totalidad es agua casi pura.

Entonces, como pueden ver, la reacción ha sucedido, ahí están los componentes que han reaccionado.

Y se puede ver todo esto.

La energía que ha sido necesaria ha sido -55840 kW.

Es la energía que está el reactor que, no sé, porque es.

Y ustedes saben qué significan energía negativa, energía positiva.

Sí, eso ya no se discute.

Entonces, ya tenemos esto, bien bonito, todo.

Podemos hacer un, un material stream, un refresh.

Y podemos ver los flujos en una tabla de los componentes que ha salido, por ejemplo, los flujos másicos.

El flujo volumétrico, el flujo molar y todas esas tablas que nos importan, ¿no?

Todas esas partes nos importan.

Ahora.

¿Qué podemos hacer con esto?

Podemos hacerle, por ejemplo, eh, acá.

Podemos calcular muchas cosas.

Eh, por ejemplo, tenemos, ya que hemos hecho isotérmico.

Podríamos haberlo hecho en otra.

Eh, en otra.

En otra simulación.

Adiabática.

Ahí, por ejemplo, problemas de ingeniería química en muchos balances para calcular la, la temperatura de flama adiabática.

Entonces, para hacer eso, teníamos que convertir nuestro reactor de combustión a modo adiabático.

Hacer los balances de materia y poder determinar la temperatura de flama.

Y eso nos va a dar una temperatura de salida.

El outlet temperature está estable, 298.15 Kelvin, temperatura ambiente.

¿Por qué? Porque es isotérmica.

Pero si lo hacemos trabajo adiabática, esa temperatura cambia, ¿no?

Y también podemos definir qué temperatura puede ser de la salida del reactor.

Para ver si quizás un poquito más de, digamos, de hacerlo más vapor.

Una, más pureza.

Qué sé yo.

Pero eso es en la realidad es muy peligroso, ustedes lo saben, los que hacen diseño de reactores.

Eso es un poquito peligroso.

Ir en contra de la termodinámica en las reacciones.

Entonces, tenemos todo esto.

Y bueno, ya tenemos todo, solamente quedaría crear una tabla.

La información de los componentes, un informe.

Y ya está todo esto.

Bueno, eso sería todo, muchachos.

Creo que ha sido un poquito simple y rápido.

Porque, bueno, es un tema muy concurrido en cuanto a balances de materia con reacción química.

Y es muy importante saberlos hacer y desarrollar en DWSIM.

Como ven, la versión de DWSIM es.

Estamos en la, en la versión que es ya la 5.8 del año 2020.

Bueno, está actualizado y tiene los últimos paquetes de datos.

No, termodinámicos, fisicoquímicos y todo eso al día para poder trabajarlo.

Entonces, eh, gracias por haberme escuchado esta oportunidad, espero que les guste.

Eh, vamos a ver qué podemos hacer y todo eso.

Ustedes saben que la cuarentena la acatamos todos y salimos de esta.

Bueno, eso fue todo, nos vemos, Eduardo Díaz.

Ah, cualquier consulta sobre este, este, queja, no sé, lo que tengan que haber hecho mal.

Me lo pueden decir en los comentarios.

Yo estoy gustoso y los puedo leer y los puedo, podemos conversar acerca de estos temas.

Nos vemos, chicos.

Será hasta la próxima.

Chao.